Design of vehicle terminal of monitoring and management system for tank truck transportation

Scientific Journal of Control Engineering June 2013, Volume 3 Issue 3, PP.231-235

Design of Vehicle Terminal of Monitoring and Management System for Tank Truck Transportation Baohua Shi 1, Zhibiao Xu 1#, Kai Yang 1, Nini Li 2 1. College of Electrical Engineering and New Energy, Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China 2. College of Computer and Information Technology, Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China #

Email: xzb7788@126.com

Abstract Combining the computer technology and communication technology, vehicle terminal of monitoring and management system for tank truck transportation is designed. The design used embedded system based on ARM9 microprocessor and Linux operating system, as well as GPRS (General Packet Radio Service) technology, WiFi (wireless fidelity) technology and GPS (Global Positioning System) technology. Vehicle terminal used ARM9 microprocessor as hardware platform and the embedded Linux as operating system, ultimately achieve the various functions of the system.

Keywords: Vehicle Terminal; Embedded System; GPRS; WiFi; GPS; Linux Operating System

油罐车监控管理系统车载终端的设计 施保华 1，徐志彪 1，杨凯 1，李妮妮 2 1. 三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002 2. 三峡大学 计算机与信息学院，湖北 宜昌 443002 摘

要：随着计算机技术和通信技术在交通领域的广泛应用，设计开发了一种应用于油罐车监控管理的车载终端。设计

采用 ARM9 处理器和 Linux 操作系统的嵌入式系统，运用了 GPRS 和 WiFi 无线通信技术以及 GPS 全球定位系统。车载 终端以 ARM 处理器为硬件平台，在处理器上移植了 Linux 操作系统，最终实现了系统的各项功能。 关键词：车载终端；嵌入式系统；GPRS；WiFi；GPS；Linux 操作系统。

引言 随着工业运输业的快速发展，交通安全和车辆监控等问题越来越收到人们的关注。近年来，由于计算机 和通讯技术的不断提升，人们可以利用新技术来实现对工业油罐车的实时监控，确保整个运输过程的安全性。 车载数据终端系统主要由数据采集模块、数据处理和存储模块和无线通信模块等组成。本文介绍的车载数据 终端系统，采用以 ARM9 为核心处理器的硬件平台，嵌入了 Linux 操作系统作为软件平台，具有智能化、信 息化和网络化的特点，同时满足了高可靠性、低功耗、抗干扰能力强的工业应用要求。

1 车载数据终端系统通信技术分析 1.1 GPRS 技术 GPRS 是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称，它是 GSM 移动电话用户可用的一 种移动数据业务。GPRS 网络引入了分组交换和分组传输的概念，GPRS 可以说是 GSM 的延续，GPRS 和以 - 231 http://www.sj-ce.org/

往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，这样使得 GSM 网络对数据业务的支持从网络体 系上得到了加强，GPRS 的传输速率可提升至 56 甚至 114Kbps，最高传输速率为 171.2 Kbps。GPRS 其实是 叠加在现有的 GSM 网络的另一网络，GPRS 网络在原有的 GSM 网络的基础上增加了 SGSN（服务 GPRS 支 持节点） 、GGSN（网关 GPRS 支持节点）等功能实体。GPRS 共用现有的 GSM 网络的 BSS 系统，但要对软 硬件进行相应的更新；同时 GPRS 和 GSM 网络各实体的接口必须作相应的界定；另外，移动台则要求提供 对 GPRS 业务的支持。GPRS 支持通过 GGSN 实现的和 PSPDN 的互联，接口协议可以是 X.75 或者是 X.25， 同时 GPRS 还支持和 IP 网络的直接互联。[1]

1.2 短距离无线传输 WiFi 原先是无线保真的缩写，WiFi 英文全称为 wireless fidelity，在无线局域网的范畴是指“无线相容性 认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网技术。由于作为 WiFi 产品的标准是遵循 IEEE 所制 定的 802.11x 系列标准，所以一般所谓的 802.11x 系列标准都属于 WiFi。而目前最流行的标准就是 802.11b， 也就是无线的标准协议。该标准从 802.11 的 2MB 基础带宽增加到 11MB，达到局域网水平，而且 802.11g 还 可以兼容 802.11b。[2]

1.3 GPS 技术 全球定位系统（Global Positioning System，通常简称 GPS） ，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型 轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系 统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三 维运动和时间的需要。该系统包括太空中的 24 颗 GPS 卫星；地面上 1 个主控站、3 个数据注入站和 5 个监 测站及作为用户端的 GPS 接收机。最少只需其中 3 颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔 高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。[3]

2 车载数据终端系统概述 数据终端系统设计主要基于工业油罐车运输的应用背景，可以有效地监控整个运输过程，实现的功能包 括：实时 GPS 定位、数据异常和紧急情况报警、全程数据记录、通过 GPRS 或 WiFi 发送车辆行驶位置和状 态等信息、执行监控中心指令等。 终端系统主要由数据采集模块、数据处理和存储模块和无线通信模块三部分组成。数据采集模块主要负 责数据的采集工作，如车辆行驶状况、油罐车内的液位仪数据、GPS 信息等。数据处理和存储模块主要负责 对采集的数据进行处理和分析，当数据出现异常时，可以立即向监控中心发出警报。特别在出现交通事故（车 辆发生剧烈碰撞或者翻滚）时，能够在第一时间通过 GPRS 发送警报信息，向监控中心报告车辆坐标位置及 状况，并在本地存储器和 NFS 中记录车辆运行的姿态状况，使设备可以当做黑匣子使用，以利于事后的事故 分析。当车辆停止运动超过一定时间或超速行驶时，也可以给出警报。无线通信模块主要负责把信息发送到 监控中心，同时也接收来自监控中心的指令，如发现违规驾驶和违规操作事件时，监控中心可以通过语音通 话的方式，与司机交流。当用户使用地点，如油库、加油站具备 WiFi 无线网络接入点时，可以使用 WiFi 将 数据采集器连接到用户网络，从而节省 GPRS 无线流量费。

3 系统设计方案 3.1 系统总体设计 系统的原理框图如图 1 所示，系统以 ARM9 内核单片机为核心，采用 Linux 操作系统作为软件平台，支 持常用的通讯接口和协议。数据采集模块，包括液位仪读取端口、车速读取端口、GPS 信息等，这些信号通 过信号调理单元转化成标准的 TTL 信号，处理器通过 RS232 总线数据采集模块实现多通道的信号采集。处 - 232 http://www.sj-ce.org/

理器可以实时地向显示屏发送油罐内的液位和车速信息。处理器可以定时地或在收到指令时，向监控中心发 送相关数据信息。在特殊情况下，即采集的数据异常时，处理器会立即通过 GPRS 模块发送信息到监控中心。

图 1 车载数据终端原理框图

3.2 系统硬件设计 ARM9 处理器：处理器选用 Samsung 公司的 S3C2410，基于 ARM920T 处理器核，采用 FBGA 封装，采 用 0.18um 制造工艺的 32 位微控制器。该处理器拥有：独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache，MMU， 支持 TFT 的 LCD 控制器，NAND 闪存控制器，3 路 UART，4 路 DMA，4 路带 PWM 的 Timer，I/O 口，RTC， 8 路 10 位 ADC，Touch Screen 接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2 个 USB 主机，1 个 USB 设备，SD 主 机和 MMC 接口，2 路 SPI。S3C2410 处理器最高可运行在 203MHz。[4] GPRS 模块：华为 GTM900-C 无线模块是一款两频段 GSM/GPRS 无线模块。它支持标准的 AT 命令及增 强 AT 命令，通过 UART 接口与外部 CPU 通信，主要实现无线发送和接收、基带处理、音频处理等功能， 是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。 WiFi 模块：Uart-WiFi 是基于 Uart 接口的符合 WiFi 无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议 IEEE802.11 协议栈以及 TCP/IP 协议栈，选用 M-600 WIFI 模块能够实现用户串口到无线网络之间的转换，传 统的串口设备也能轻松接入无线网络。 GPS 模块：GARMIN 的 GPS15L 接收机的功耗非常小，12 并行通道，瞬间锁定可视卫星，数据更新率 为每秒一次。GPS 接收机 OEM 板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存 储器中，GPS15L 接收机内部有备用电池来为存储器供电。

3.3 系统软件设计 系统软件平台设计主要包括加载启动程序、Linux 操作系统的移植和应用程序设计三大部分，本文重点 介绍应用程序设计部分。具体程序流程如图 2 所示。 3.3.1

加载启动程序

BootLoader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设 备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备 好正确的环境。 终端采用的 Uboot 是一个通用的 BootLoader 程序，可以在主机的超级终端通过调试串口和目标板进行通 信、系统设置、内核更新等。Uboot 有两种方式进入 Linux，一种是使用 uImage，可以在引导时附加命令行 参数，但操作起来比较麻烦。另一种较简单的是使用 tftp 将 Linux 内核加载到 0x80008000（默认起始地址） - 233 http://www.sj-ce.org/

的地方，然后使用 go 命令直接跳转。

图 2 应用程序流程图

3.3.2

操作系统的移植

Linux 是一种自由和开放源码的类 Unix 操作系统，存在着许多不同的 Linux 版本，但它们都使用了 Linux 内核。Linux 可安装在各种计算机硬件设备中，比如手机、平板电脑、路由器、视频游戏控制台、台式计算 机、大型机和超级计算机。 Linux 的移植主要分以下几个步骤：下载 Linux 操作系统和交叉编译器；修改 Makefile 文件；配置内核 产生.config 文件；编译内核；制作、安装文件系统等。 3.3.3

应用程序设计

应用程序的设计可以利用 Linux 的多任务特性将整个系统功能分为 4 个线程：数据采集进程；数据发送 进程；数据显示进程；命令接收进程。 数据采集进程负责数据采集和存储任务，处理器在每个周期内读取各端口数据，通过比较数据范围，判 断数据是否正常。若数据不正常，则立即通过 GPRS 发送至监控中心；若数据正常，则将数据存入缓冲区， 共其他模块调用，并等待下一个采集周期。数据发送进程负责数据发送任务，处理器定期地将缓冲区的数据 发送回监控中心，发送时先检查有没有 WiFi 接入点，如有，则直接发送，否则用 GPRS 发送，完成后等待 下一个发送周期。数据显示进程负责实时显示采集的数据，处理器将采集的数据送至 LCD 屏上显示，主要 是液位数据。命令接收进程负责侦听监控中心发来的命令，当接收到命令的时候，处理器会分析命令，然后 执行动作。通过这 4 个进程，系统可以实现各项基本功能。

4 结束语 本文根据工业油罐车运输的应用背景，提出了以嵌入式系统、GPRS 和 WiFi 无线通信技术以及 GPS 定 - 234 http://www.sj-ce.org/

位系统为核心的车载数据终端的技术方案，重点描写了系统的硬件和软件设计方案，基本实现了实时 GPS 定 位、数据异常和紧急情况报警、全程数据记录、通过 GPRS 或 WiFi 发送车辆行驶位置和状态等信息、执行 监控中心指令等功能。目前，系统正处于测试之中，还有待进一步的改进和研究。

REFERENCES [1]

Zhao Liang, LI Feng. “Application of GPRS wireless network in remote data acquisition.” Computer Engineering and Design, 2005, 09: 2552-2554

[2]

Wang Shu-Qi, Sun Yi. “Design of WiFi Terminal Based on S3C2410 In Mine Tunnel.” Microcomputer Information, 2007, 11: 186-188

[3]

Xu Min. “Research and Implement of Real Time Software GPS Receiver.” Shanghai Jiao Tong University, 2007

[4]

Samsung Electronics. S3C2410X USER’S MANUAL (Revision 1.2). 2003

[5]

Huang Zuowei, Zhou Ming, Zhang Ximei. “Design and Realization of Embedded Vehicle Terminal Based on GPS/GPRS.” Computer Measurement & Control, 2009, 11: 2205-2208

[6]

Yang Mei. “Application Design and Implementation of GPS-GPRS Location System Vehicle Terminals.” Telecommunication Engineering. 2004, 03:103-106

[7]

He Xiao-wei, Wang Ai-hua, Ma Yue. “Research of GPS vehicle terminal communication technology based on GPRS.” Journal of Computer Applications. 2008, 11: 2952-2954

[8]

Jin Jing, Hu Shengxiang, Hu Ping, et al. “The research and development of vehicle control terminal based on GPS/GPRS.” Microcomputer Information, 2006, 26: 284-286

【作者简介】 1

施保华（1965-） ，男，汉，硕士，副教

2

徐志彪（1989-） ，男，汉，硕士研究生，研究方向：计算机

授，主要从事计算机控制技术、智能控

控制。Email: xzb7788@126.com

制理论、嵌入式系统等方面的研究。

3

杨凯（1990-） ，男，汉，硕士研究生，研究方向：计算机控制。

4

李妮妮（1986-） ，女，土家族，硕士研究生，研究方向：计

算机应用技术。

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