基于北斗二号和GPRS的物资运输监控系统

摘要 根据实际需求，提出了物资监控系统应具有的功能。介绍了北斗二号的定位原理和GPRS通信原理，在此基础上对监控系统的监控中心和终端机进行了设计。文中设计的物资运输监控系统具有定位精确、价格低廉、简单实用的优点，在物资运输监控领域具有广范的应用空间。
关键词 北斗二号；GPRS；监控系统

1 系统功能
1．1 物资监控和管理
    系统可以对物资的位置、速度、方位、状态进行监控，对物资的出入库、运输过程、运达情况、消耗情况进行全程掌握。系统管理平台设置有各类动态和静态信息数据库，终端机上报的位置信息由管理平台进行存储，用户可根据地图、时间段、回放速度对运输物资车辆的行驶轨迹进行回放。车辆的历史轨迹包含了时间、地点等多种信息、为事后的数据分析和物资管理以及新物资运输方案的制定提供了有力支持。
1．2 运输定位和导航
    系统终端机接收北斗卫星信号，获得物资实时位置，并向监控中心发送位置、行驶速度、方向和状态数据，从而在物资监控中心得知所运物资的动态。利用北斗卫星定位导航系统对运输物资的车辆提供导航服务，同时物资监控中心根据道路通行情况，为车辆选择最佳的运输路线，及时掌握道路损毁和通行情况，根据需要随时调整运输路线，保证运输任务顺利完成。
1．3 安全防范
    物资遇到危险或紧急情况后，可以触动车内的报警开关，终端机立即报告车辆的位置、速度、状态等，并发出报警信号，监控中心弹出报警幕，以红色警示提醒值班人员运输物资遇险。系统平台自动显示求救物资的信息，可根据指令打开单向语音监听装置。求助状态可由系统平台解除。对运输特殊物资的车辆可设置限制速度、温湿度、车辆倾斜度等特殊条件。一旦超过限速设置，终端会向用户监管中心自动报警，车上有声音提示，监控中心人员也会提示该物资出现危险报警。车辆在执行任务前，可以根据需要，指定行驶区域或路线。当车辆行驶中偏离区域或路线时，监控软件会发出警报，管理人员就会及时通知车辆及时纠正。物资在运输前，可以根据需要，对车辆开门的时间或地点进行设置。在车辆未按规定开门时，车载终端将发出报警。
1．4 电子地图功能
    可对当前地图进行放大与缩小操作，以便了解整个地区的总体情况和某个区域的详细情况。电子地图对不同的地物具有不同的编码，在地图上以其特定的方式和颜色显示，值班员可以根据爱好和需要自行配置显示方案。地图上可以显示路名、建筑物名称等标注信息，值班员可以根据需要隐藏或显示标注。电子地图在移动时，路名可以动态显示位置，保证路名处于可见状态。电子地图在缩放时，相邻标注可以自动避让，保证注记不被压盖。可进行地理位置、建筑物的查询，以及该位置附件空车、重车、所有车辆的查询。

2 “北斗二号”和GPRS原理
2．1 北斗二号定位原理
    北斗二号卫星定位系统是我国独立研制的新一代卫星导航系统，该系统于2004年开始建设。在体制上北斗二号卫星和美国的GPS、俄国的Glonass和欧盟建设中的Galileo一样，同属于RNSS(Radio Navigation Satellite System)。
    “北斗二号”导航定位系统通过测量卫星至用户的信号传播延迟，利用测距原理实现导航定位。通过3颗卫星测距，得到用户至卫星的距离，确定两维位置；再通过增加第4颗卫星的测量，可以计算三维位置和时间。该系统由地面段、空间段和用户端组段构成，采用CG3200坐标系，以北斗时为系统时间基准。正在建设的“北斗二号”卫星导航系统空间段，将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，作为无源导航卫星，不同于第一代有源导航，可以为需要导航的用户带来安全。该卫星提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区内免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10 m，授时精度为50 ns，测速精度为0．2m／s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务。
    和其他定位系统一样，北斗二号卫星系统的所有功能最终都是通过用户设备实现，因此用户设备是系统的一个重要组成部分。从应用对象区分，用户设备包括手持、车载、舰载以及嵌入式等，个人、车辆、舰船等移动载体提供导航定位、报文通信和授时业务。而从功能上，用户设备则分为基本型、授时型等多种类型。“北斗二号”卫星星座图如图1所示。

2．2 GPRS通信原理
    GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，它是利用“包交换”(Packet Switched)概念发展出的一套无线传输方式。它的基本功能是在移动终端和互联网的路由器之间传输分组数据。
    由于GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、无线调制标准、突发结构、跳频规则以及相同的TDMA帧结构，所以在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，不需要对GSM系统中的大部分硬件作改动，只需软件升级。在GSM系统的基础上只需要增加GPRS服务支持结点(SGSN，Serring GPRS Supporting Node)，GPRS网关支持结点(GGSN，Gateway GPRS Support Node)和分组控制单元(PCU，Packet Control Unit)，便可构成完整的GPRS系统。
    由于GPRS引入了分组交换能力，因此与GSM电路交换相比，GPRS具有“按流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“永远在线””自如切换”等优点。正因为GPRS拥有的这些优点，使得其在无线数据业务中得到广泛应用，GPRS网主要为用户提供突发性数据业务，GPRS可以分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向应用两种。GPRS网络参考模型如图2所示。

    移动终端(MS)：移动终端包括移动物理设备和SIM卡两部分。移动台的类型很多，除了车载台、便携式移动台，还有手机等。SIM卡是一张符合ISO标准的IC卡，由CPU和存储器以及串行通信单元组成。
    基站子系统(BSS)：基站子系统由基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)两部分组成。基站子系统一方面通过BTS利用无线接口与移动台相连，负责信息的无线发送／接收和无线资源的管理；另一方面，通过BSC和网络子系统中的移动业务交换中心(MSC)相连，实现移动用户之间以及移动用户和固定电话网络用户之间的通信连接。
    移动业务控制中心(MSC)：MSC是网络子系统的核心。MSC是交换机，具有号码存储、呼叫处理、路由选择、回波抵消和超负荷控制等功能。MSC可以从HLR，VLR和AUC获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其获取的最新信息请求更新数据库的部分功能。
    GPRS业务支持节点(SGSN)：主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到GGSN的传输通道，接收从BSS传送来的移动终端分组数据，通过GPRS骨干网传送给GGSN或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。SGSN还可集成计费网关、边缘网关和防火墙的功能。
    GPRS网关支持节点(GGSN)：是连接GPRS网络与外部数据网络的节点。对于外部数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储已经激活的GPRS用户的路由信息。GGSN接收移动终端发送来的数据，转发到相应的外部网络，或接收来自外部数据网络的数据，通过隧道技术，传送给相应的SGSN。另外GGSN还可以具有地址分配、计费、防火墙功能。
    SGSN和GGSN两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以由不同的物理节点实现。它们都应有IP路由功能，并能与IP路由器互联。
    GPRS主要是用来提供非语音数据业务，GPRS提供移动网络到TCP／IP或X．25网络的接口，可以把GPRS网络看作是一个IP子网。

3 监控系统构建
    物资监控系统由监控中心、通信网络和终端机组成。其中通信网络选择GPRS公共通信网络，文中重点对监控中心和终端机进行设计。
3．1 监控中心
    监控中心是系统的重要组成部分，负责和接收终端的交互及用户管理，并根据接收终端的请求响应定位服务，同时负责各个分中心的网络互连，完成各种信息的分类、记录和转发以及分中心之间业务信息的流动，并对整个网络进行监控。监控中心动态获取道路状况及实时监控、指挥移动终端，GIS系统与卫星定位系统的紧密结合可以提高监控中心的工作效率。
    监控中心硬件由一台服务器、监控端计算机以及部分辅助设备构成，服务器和监控端计算机由局域网连接。如因条件限制也可将服务器和各监控端功能集成在一台电脑上。
    监控中心客户端软件有系统设置、地图窗口、位置管理和物资管理4个功能模块。系统设置有通信设置、修改密码、报警开关和轨迹回放等。地图窗口有地图选择、地图设置、图元设置和车辆状态设置。位置管理有围栏设置、区域设置和位置设置。物资管理有状态查询、各种数据统计、报警处理和指令发送等功能。具体如图3所示，监控中心客户端软件运行界面如图4所示。

3．2 终端机设计
    终端机的功能模块主要由主控机、北斗定位导航模块、GPRS模块和LED显示模块组成，具体如图5所示。

    (1)主控机。是车载终端的核心部件，主要负责与北斗定位导航横块、GPRS模块的通信，提供人机交互的接口LED显示屏及触摸屏，同时支撑嵌入式操作系统所需的底层硬件资源和相关硬件部分。
    (2)北斗定位导航模块。主要接收北斗定位导航信息，实时提供车辆的位置、速度、时间等信息。
    (3)GPRS摸块。主要负责与监控中心的通信，将物资的位置信息、送达情况、安全情况传给监控中心，监控中心发来的指令也通过GPRS网络传播。
    (4)LED显示屏及触摸屏。主要提供人际交互的平台，通过LED显示屏提供给用户简单友好的界面；用户可以通过触摸屏输入控制命令等。

4 结束语
    基于“北斗二号”的物资运输监控系统，利用“北斗二号”卫星定位导航系统进行定位导航，利用GPRS通信网络实现监控中心和终端机之间的通信。“北斗二号”是我国独立开发的全球卫星地位系统，不是“北斗一号”功能的简单延伸，而是GPS全球定位系统和伽利略系统，定位精度达到GPS民用水平，并且技术上不受制于人。GPRS通信网络具有永远在线、快速登录、高速传输、按量收费、价格低廉等优点。设计的物资运输监控系统具有定位精确、价格低廉、简单实用的优点，在物资运输监控领域具有广阔的应用空间。