关键字 |
| 自动车辆定位系统，GPS, GSM/GPRS, Arduino Uno Rev |
介绍 |
| 快速发展的智能交通系统(ITS)领域涵盖了从航班运输和交通管理到驾驶员警报或车辆监控等车载服务。因此，交通信息的收集和通信在所有智能交通应用[2]中起着至关重要的作用。ITS最重要的类别之一是自动车辆定位(AVL)系统。AVL是一种确定车辆地理位置并将此信息传输到可以存储并与某些软件和数据库应用程序一起使用的方法。为此，AVL系统使用了各种硬件和软件组件。 |
| 本文介绍了一种基于全球定位系统(GPS)的AVL系统，该系统主要由GPS模块、全球移动通信系统(GSM)/通用分组无线业务(GPRS)模块和单片机组成;这些组件组成了车载单元(IVU)。本研究工作中使用的GPS硬件主要用于检索车辆位置坐标(经度、纬度和速度)，而GSM/GPRS模块则使用GSM/GPRS模块提供的无线网络将检索到的车辆位置坐标传输到基于web的服务器。使用Arduino Uno Rev作为微控制器，作为中央处理器，用于控制GPS和GSM/GPRS模块的操作。关于各个模块如何工作的详细信息将在其他部分列出。 |
相关工作 |
| 在ITS领域已经做了一些工作，其中大多数利用GPS开发了几个应用程序，这些应用程序用于使运输管理中心、司机和乘客更容易地提供运输服务。在[1]中，分析了车辆自动监控与管理系统中常用的四类车辆定位技术，分别是路标/里程计、地面无线电定位(GBRP)、航位推算和基于GPS的车辆自动定位系统(AVL)。在航迹推算中，由于路况(例如，不平的路面、坑洞和山丘)、轮胎磨损和轮胎压力[8]等因素，轮胎尺寸会随着时间的推移而变化，因此需要持续校准。沿着路线测量的距离可能不完全对应于在任何特定行程中行驶的路径;因此，位置将根据驾驶距离的不同而不同。虽然航位推算费用不高，但准确度会随着行驶距离的增加而降低，而且还会受到不平路面、陡坡或磁干扰的影响。在基于路标/里程表的AVL系统中，接收机安装在总线上，而发射机则沿总线路线放置。在其他情况下，发射器可以放置在总线上，多个接收器沿路线安装。由于每个路标的位置都是已知的，因此公共汽车经过该路标时的位置也就确定了。巴士里程表所测量的自通过最后一个路标后行驶的距离，用于估计巴士在路线上的位置。 This technology has a drawback because signposts are placed at fixed locations, thus, changes in bus routes could require the installation of additional signposts [7]. GBRP uses a low-frequency signal to cover a geographic area and the buses are located as they receive the signal. The time difference of signal reception is measured and is calibrated against a known position of remote stationary transmitters or receivers. Despite the simplicity of the system, overhead power lines or power substations can cause signal interference and signal reception is typically very poor in canyons [7]. |
| 由于其他AVL技术的缺点，基于GPS的AVLS系统在过去几年中成为新安装的最受欢迎的系统[8]，它使用24颗卫星网络发出的信号，这些信号由放置在总线上的接收器接收。卫星系统覆盖全世界，因此不需要沿任何路线放置发射机/接收机。虽然负责监控卫星系统的美国军方过去限制了该系统的精度，但现在它允许更精确的读数[5]。GPS的精度和合理的成本使其最具吸引力，尽管树叶、高楼和隧道会暂时阻挡卫星信号，但差分GPS (DGPS)和辅助GPS (A-GPS)的出现已经将这些限制消除到最小[4]。同样，[9]的作者提出无线系统是智能交通系统的完美通信通道，他们提出无线通信通道是每个有效和可靠的交通控制和管理应用程序的基础。虽然通过商业运营商的基于蜂窝的通信被广泛用于在线交通管理应用，但他们表示，公共机构也开始考虑其他技术，如WiFi和WiMAX。[6]研究了定位和跟踪技术对隐私的影响，并概述了我们熟悉的移动电话案例，辅以对道路收费的更深入评估和对道路上单个机动车辆的监视，以此作为评估定位技术对自由社会构成的重大威胁的基础。虽然不同的研究人员使用不同的技术来开发AVL系统，但其正确性、可靠性和效率仍然是有待改进的性能指标。因此，本研究工作的前提是提供一个更健壮和有效的基于GPS的AVL系统。 |
研究方法 |
| A.系统概述: |
| 研制的AVLS由硬件和软件两个主要部分组成。硬件部分由GPS、GSM/GPRS和单片机组成，软件部分由中央服务器、单片机编程和用户界面组成。GPS模块主要用于检索车辆的经度、纬度和行驶速度等车辆位置信息，GSM/GPRS模块用于将检索到的车辆位置信息传输到基于web的服务器上。所使用的微控制器为Arduino Uno Rev，作为IVU的中央处理器;它的主要功能是协调GPS和GSM/GPRS模块的活动。软件部分包括Arduino Uno Rev编程、用户界面和中央服务器的设计与开发。硬件组件必须在相互通信之前进行编程，同时用户还需要一个接口，使他们能够与开发的AVLS进行交互。 |
| B。“硬件考虑: |
| 组成IVU的组件是GPS模块、GSM/GPRS模块和Arduino Uno Rev微控制器。 |
| ？GPS模块 |
| 图1所示的GPS模块是基于SUP500F闪存、低功耗、高性能、65通道智能天线模块。其-161dBm跟踪灵敏度使其具有广泛的连续位置覆盖。它的高性能搜索引擎能够每秒测试800万个时频假设，提供业界领先的信号采集和TTFF (Time to First Fix)速度。GPS模块接收来自卫星的信号，并确定车辆的地理位置或坐标。GPS模块只能接收信号，不能发射信号。 |
| GPS模块用于实时捕捉车辆的实际位置。由于GPS提供的位置信息是数字格式的，因此需要将其处理成可由信标显示在数字地图上的有用信息。GPS模块还可以提供GPS定位时间(最后报告的位置)、GPS定位状态和用于计算当前位置信息的卫星数量等信息。为了跟踪目的，传输时只需要位置数据。GPS接收机提供的其他数据用于确定位置信息的有效性。 |
| ？GSM/GPRS模块 |
| 如图2所示，使用的GSM/GPRS模块是ADH8086四频段(850/900/1800/1900)GSM/GPRS模块，内置TCP/IP堆栈，UDP/IP堆栈，FTP和SMTP客户端，SMS支持和SIM卡holder。它以85.6Kbit/s的最大速率传输GPRS数据，也支持高达9600bit/s的CSD数据传输。通过GSM/GPRS模块的无线网络，将GPS模块接收到的位置坐标通过TCP/IP直接连接进行传输。检索到的车辆位置坐标通过GSM/GPRS模块的GPRS网络传输到中央服务器。对于GSM网络上的数据传输，也使用了GSM/GPRS模块。使用GSM/GPRS模块，因为它覆盖范围广，而且比自行部署网络传输车辆信息更经济。 |
| ？Arduino Uno Rev微控制器 |
| 微控制器采用Arduino Uno Rev 3。它作为车载单元的中央处理单元，控制车载单元的所有操作。单片机需要指令来运行整个系统，这些指令用c#编程语言写入单片机的闪存中。它逐条读取软件指令，并按照指令的要求执行操作。Arduino Uno Rev由一个Atmel 8位AVR微控制器和互补组件组成，以方便编程和集成到其他电路中，它通过USB编程，使用USB转串行适配器芯片(如FTDI FT232)实现。图3显示了Arduino Uno Rev 3与GPS和GSM模块的接口。 |
| ？权力的考虑 |
| Arduino微控制器最初是通过USB电缆连接到笔记本电脑上供电的，但当它安装在车上时，它连接到一个可充电电池，提供5v的电压。开发的系统后来连接到车辆电池，以便其电池可以在使用时和耗尽时充电。使用的可充电电池可以独立工作6小时，这是可能的，因为Arduino。 |
软件设计考虑 |
| 硬件模块之间不能通信，除非它们被编程这样做;这是使用微控制器的好处之一，因为它可以使用c#编程语言进行编程。 |
| 硬件模块之间不能通信，除非它们被编程这样做;这是使用微控制器的好处之一，因为它可以使用c#编程语言进行编程。 |
| Arduino Uno Rev单片机采用c#编程语言编程，由于其可编程性，GPS模块和GSM/GPRS模块的活动可以协调。图4显示了Arduino Uno Rev编程接口和用于测试GPS模块的代码片段。 |
| ？基于Web的服务器 |
| 基于web的服务器作为中心数据库，兼容ASP。Internet信息服务器(IIS)，它是基于web的服务的标准。装有车载单元(IVU)的车辆数量不是固定的，因此服务器的设计可以管理和区分从安装在不同车辆上的所有IVU接收到的所有信息。服务器维护一个数据库，其中包括所有车辆路线、在该路线上行驶的公交车、每条路线上的站点等。它还存储静态信息，如车辆型号和车牌号码，车辆位置历史和授权用户。车辆速度和行驶距离、预计到达时间和地理编码地址、可用车辆及其各自的路线和更新等动态信息也保存在中央数据库中。基于网络的服务器还可以作为互联网网页和数字地图的主机，允许管理员实时查看车辆的位置。中央数据库的设计使其内容可以被授权用户通过web界面访问和修改。 |
| ？基于Web的用户界面 |
| 图5所示的基于web的用户界面是在ASP中创建的。NET编程平台采用c#编程语言。这使管理员可以访问托管在基于web的服务器上的数字和动态地图。数字地图是动态的，当被观察车辆的位置发生变化时，位置的变化就会自动显示在地图上。这将使运输管理中心能够与安装了IVU的车辆进行交互。由于基于web的用户界面将通过互联网访问，其访问权限仅限于授权用户。因此，关于系统所有用户的信息都存储在中央数据库中。 |
系统建设 |
| 该系统的建设是分阶段完成的，即:组装，焊接和套管。首先在Vero板上组装各组件，并根据图6所示的设计电路图进行测试。在确认元器件之间通信正常后，将它们焊接在印刷电路板上。整个系统现在都装在一个铁箱子里了。使用钻孔机在外壳上钻孔，并使用螺栓和螺母将带有电路的外壳连接在一起。 |
| ？系统如何工作 |
| Arduino Uno Rev微控制器与GPS和GSM/GPRS模块组成了内置在车辆中的车载单元(IVU)。一旦安装在车辆上并通电，IVU已被编程以同时检索和传输车辆的位置坐标，这些位置信息将通过GSM/GPRS模块提供的无线网络转发到web服务器。每辆配备IVU的车辆都有一个唯一的识别号码，因此中央服务器将能够区分特定车辆发送的车辆位置信息。运输管理中心可以使用web用户界面与装载IVU的每辆车辆交互，从而监控它们的车辆。 |
| ？测试已开发的系统 |
| 在进行整体测试之前，开发的AVLS是作为单元进行测试的。安装在微控制器上的GPS模块通过USB线连接到笔记本电脑。然后对微控制器进行编程，启动定位请求，在接收到如图4所示的所请求的位置信息后，确认GPS模块工作正常。GPS模块以TTL (serial Transistor-Transistor Logic)格式传输信息，连接到Arduino Uno微控制器的引脚0 (RX)，如图6所示。 |
| GSM/GPRS模块也连接到已经承载GPS模块的微控制器上。微控制器再次编程启动一个动作，使GPS模块检索车辆位置，并启动GSM/GPRS模块将检索到的位置发送到基于web的服务器，在接收传输的位置信息后，确定系统工作正常。 |
结论及未来工作 |
| 本文成功地提出了一种可安装在任何车辆上的多功能、低功耗的自动传感系统，主要用于检索车辆的位置坐标和速度。这些信息将使运输管理中心有机会实时监控他们的车辆，同时监控驾驶车辆的司机。该系统的应用范围取决于各运输管理中心的远见和需要，因为其用途相当广泛。强烈建议交通当局探索免费的全球定位系统隐藏的巨大好处，因为实时了解车辆的位置可以为许多创新想法提供基础，这些想法可以改变公共交通系统的面貌，使其成为私人交通的更好替代品。 |
数字一览 |
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参考文献 |
- Christine, M. J.和Edward, L. T.，“自动车辆定位成功的交通应用:跨领域研究”，ITS联合项目办公室，联邦公路管理局，2002。
- David, T.， Daniele, M.， L.和Francesco, C.，“使用无线传感器网络支持智能交通系统，Ad Hoc网络杂志，第8卷，第5期，第462-473页，2010。
- Daniel, P.，“第一反应者使用全球定位系统的自动车辆定位”，信息技术应用技术报告系列，2354 Fairchild Drive, Suite 4L35F, USAF Academy CO 80840-6258, 2008。
- 李国强，李国强，李国强，“汽车自动定位系统的研究现状”，中国城市交通研究中心，2008。
- 刘志伟，“先进技术在印度交通运输系统中的应用”，国际地球科学与工程杂志(IJESE) ISSN 0974-5904，第4卷，第6期，pp. 394-397, 2011。
- Roger, c .和marcus, W.，“你在哪里:位置和跟踪技术对隐私的影响”，《基于位置服务杂志》，特刊:基于位置服务的社会和行为影响，第5卷，第4期，第138-155页，2011年。
- Srinivas, P.， Venkata, D.， Shah, I.， Pooya, N.和Zahid, R.，“用于可靠交通系统的商业遥感和空间信息(CRS和SI)技术”，提交给研究和创新技术管理局(RITA)的文献综述综合报告草案，美国交通部，1200新泽西大道，S.E, E33-467室，华盛顿特区20590,2013。
- Watje, j.m.， Denis, S.和robert, S.，“自动车辆监控和管理系统中的车辆定位技术。”IVHS杂志，Vol. 1, No. 3, pp. 295-303, 2007。
- Yan, Z.， Glenn, H. E.， Mashrur, C.， Kuang-Ching, W.andRyan, F.，“智能交通系统的无线通信替代方案:案例研究”，智能交通系统:技术、规划和运营，第15卷，第3期，147-160页，2011。
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