蔣 威, 付國定

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

煤炭運(yùn)輸車車載導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS數(shù)據(jù)的采集與處理

蔣 威, 付國定

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

為了提高煤炭物流運(yùn)輸控制的精確度，使大宗煤炭商品高效運(yùn)輸，需對煤炭運(yùn)輸車的具體路線進(jìn)行導(dǎo)引，在每臺煤炭運(yùn)輸車上安裝GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng).主要討論了一種車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的功能分析與總體設(shè)計(jì)方案，完成了車載導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理模塊的軟硬件設(shè)計(jì).

車載導(dǎo)航；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)

物流如今已成為了人們生活中必不可少的一部分，煤炭行業(yè)對煤炭的運(yùn)輸也都采用物流的方式，通過在煤炭運(yùn)輸車上安裝GPS對煤炭運(yùn)輸車的行駛和運(yùn)輸進(jìn)行導(dǎo)航.對GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述，并針對GPS車載導(dǎo)航最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了深入的探討.

1 GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)是應(yīng)用在煤炭運(yùn)輸車上的，屬于煤炭物流運(yùn)輸?shù)姆懂?，所以首先是一個(gè)物流路線指引系統(tǒng).煤炭運(yùn)輸車的司機(jī)能夠通過北斗系統(tǒng)獲取現(xiàn)在的位置信息和煤炭運(yùn)輸中心發(fā)送的行進(jìn)指示并上報(bào)最新位置，可以視情況對物流路徑進(jìn)行動態(tài)修改，煤炭運(yùn)輸管理員也可以查詢各煤炭運(yùn)輸車的位置并對線路進(jìn)行合理分配.其次，本系統(tǒng)還是一個(gè)物流訂單管理系統(tǒng)，系統(tǒng)管理員可以對客戶進(jìn)行管理并更新訂單信息，使用者也可以查詢委托給物流公司的物流訂單現(xiàn)在的位置以及完成程度.

物流路線指引系統(tǒng)的主要功能有如下幾點(diǎn)：①司機(jī)可以通過北斗(GPS)系統(tǒng)來獲取煤炭運(yùn)輸車現(xiàn)在的經(jīng)緯度，利用本車載地圖導(dǎo)航系統(tǒng)在地圖上確定自己的位置；②司機(jī)可以利用車載地圖導(dǎo)航系統(tǒng)獲取煤炭運(yùn)輸管理員發(fā)送的物流行進(jìn)路線信息；③司機(jī)可以視情況改變物流行進(jìn)路線；④車載地圖導(dǎo)航系統(tǒng)利用GPRS定時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送行車經(jīng)緯度；⑤如果行進(jìn)路線與煤炭運(yùn)輸管理員發(fā)送的路線偏離，車載地圖導(dǎo)航系統(tǒng)會利用GPRS向系統(tǒng)發(fā)送報(bào)告更新路線并將此路線的物流密度設(shè)置為“高”；⑥物流管理員可根據(jù)路況和物流密度制定物流行進(jìn)路線；⑦物流管理員可查詢司機(jī)的行車位置；⑧物流管理員可查詢區(qū)域物流密度.

物流訂單管理系統(tǒng)的功能如下：①物流使用者(用戶)可以注冊并登錄系統(tǒng)；②用戶可以隨時(shí)注銷登錄；③用戶可以修改自己的個(gè)人信息(private)；④用戶可以檢索自己的物流訂單；⑤用戶可以查看自己的物流訂單現(xiàn)在的狀態(tài)(運(yùn)行位置、放置地點(diǎn)和目前的運(yùn)行率等)；⑥系統(tǒng)管理員可以完成物流使用者可以完成的一切非private功能；⑦系統(tǒng)管理員可以管理用戶信息和用戶請求是否給予答復(fù)；⑧系統(tǒng)管理員可以管理物流訂單信息.

2 GPS數(shù)據(jù)的采集與處理

導(dǎo)航電子地圖[1]在本系統(tǒng)中占有重要的地位，而導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)的生成是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的工作.導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)的生成包含兩大部分——GPS數(shù)據(jù)的采集和拓?fù)潢P(guān)系的建立.GPS數(shù)據(jù)采集的主要途徑有數(shù)字化儀輸入和掃描儀輸入.數(shù)字化儀輸入耗時(shí)多，但事后處理簡單，輸出的為矢量化地圖；掃描儀輸入雖然速度快、效率高，但事后處理復(fù)雜，還需要進(jìn)一步對柵格圖形矢量化.

2.1原則

GPS需要的信息非常多，主要是各種空間對象的幾何信息，如位置信息包括建筑物、道路、公園等的位置.除了空間信息，還有標(biāo)注信息.并且，煤炭運(yùn)輸車的車載導(dǎo)航系統(tǒng)除了具備一般導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)之外，還有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①數(shù)據(jù)量大.煤炭運(yùn)輸車的車載導(dǎo)航并不僅僅對車輛行駛路線進(jìn)行指引，而且要根據(jù)具體的物流情況對車輛具體的行駛情況進(jìn)行分析，這些數(shù)據(jù)量對于單獨(dú)的車載導(dǎo)航來講是巨大的.②結(jié)構(gòu)復(fù)雜.城市的發(fā)展速度是飛快的，城市內(nèi)道路的交通情況也隨著城市的發(fā)展不斷變化且越來越復(fù)雜.例如，道路行駛的限制條件越來越多，城市立交等復(fù)雜的交通特征越來越普遍，現(xiàn)在的交通規(guī)則的變化也越來越快，這些因素在GPS數(shù)據(jù)采集時(shí)都要考慮進(jìn)去，所以要實(shí)現(xiàn)地圖匹配[2]非常困難，GPS車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也因此變得非常復(fù)雜.

在GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)中使用上述所有的信息是不利于數(shù)據(jù)庫的管理和分析的，而且也沒有必要.在GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，所需要的數(shù)據(jù)主要為公路和一般地物兩類，為滿足導(dǎo)航需要，數(shù)據(jù)采集應(yīng)遵循以下原則：①選取主要公路.公路是煤炭運(yùn)輸車行駛的主要道路，所以GPS數(shù)據(jù)必須將道路作為其操作與分析的主體.按照公路的等級情況和公路相連的地物的重要性，可以將公路分為主要公路和次要公路.主要公路和次要公路的數(shù)據(jù)采集情況要分別對待,如果是主要公路，那么它的數(shù)據(jù)要全部選取，如果在其范圍內(nèi)有與其相沖突的其他地表元素，那么這些元素?cái)?shù)據(jù)要全部挪位或刪除.②選取次要公路.次要公路的數(shù)據(jù)采集情況和主要公路不同，次要公路的數(shù)據(jù)要為主要公路服務(wù)，所以要選擇和主要公路或重要地物相連的次要公路，要符合整個(gè)公路網(wǎng)的特征描述并且要分布合理以利于GPS系統(tǒng)對路網(wǎng)進(jìn)行分析.③選取一般地物.一般地物的選擇要以對煤炭運(yùn)輸車的車輛導(dǎo)航是否產(chǎn)生重要的影響為參考，如果是特殊或者有特別標(biāo)識的建筑，那么該地物就需要選擇作為GPS車載導(dǎo)航的地物數(shù)據(jù).選取的主要原則是重要地物全部選取，次要地物是否選取要考慮到整個(gè)GPS的合理性.

2.2硬件設(shè)計(jì)

在遵循GPS數(shù)據(jù)采集的原則下進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì).由于煤炭運(yùn)輸車的車載GPS系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，數(shù)據(jù)采集模塊會受到電磁脈沖信號的干擾，所以設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊必須具備很強(qiáng)的抗干擾能力.同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊還必須能夠采集不同類型的數(shù)據(jù).針對這些需求，在設(shè)計(jì)GPS數(shù)據(jù)采集和處理模塊時(shí)，要同時(shí)做到以下兩點(diǎn)：①要保證GPS數(shù)據(jù)采集和處理的可靠性和穩(wěn)定性；②要盡可能地降低數(shù)據(jù)采集和處理模塊的成本.因此，選擇AT89C51芯片單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和處理模塊的主要通信部件.AT89C51芯片是一個(gè)8位的CMOS微控制芯片，具有功耗低、體積小、性能高、價(jià)格低、集成度高并且易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，用作煤炭運(yùn)輸車的GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理芯片是非常適合的，它起到了協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作的作用[3].

AT89C51芯片的內(nèi)部沒有A/D轉(zhuǎn)換器，不能將陀螺儀輸出的直流電壓信號轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號而只能讀取8位數(shù)字信號，所以完成轉(zhuǎn)換工作就只能借助其他組件.本系統(tǒng)選擇一片ADC0804作為A/D轉(zhuǎn)換器，它能將陀螺儀輸出的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號，還能增加外部電路，將整個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理模塊的電壓擴(kuò)展為-5～+5 V，滿足陀螺儀工作的需要.另外，數(shù)據(jù)采集和處理模塊上還有一個(gè)轉(zhuǎn)速儀組件直接連接單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過測量1 s內(nèi)的脈沖數(shù)來計(jì)算煤炭運(yùn)輸車的車速.該模塊還有一個(gè)GPS信號的接收裝置，本系統(tǒng)選擇了GPS_25作為GPS信號接收芯片對GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行接收，將接收到的信號進(jìn)行變頻處理，并將其中的信號噪聲濾除，將有效信號放大.

需要采集的信息包括位置信息、星歷信息、時(shí)間信息及速度信息等.通過核心單片機(jī)芯片AT89V651對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，完成為煤炭運(yùn)輸車導(dǎo)航的服務(wù).整個(gè)GPS數(shù)據(jù)采集和處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2.3軟件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)只是GPS數(shù)據(jù)采集和處理模塊的底層部分，還需要在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上再完成軟件設(shè)計(jì)部分.軟件部分的作用是完成整個(gè)硬件芯片和組件的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理，在接收模塊中實(shí)現(xiàn)GPS信號的接收、車速脈沖的計(jì)算、陀螺信號A/D轉(zhuǎn)換后的信息處理工作以及A/D轉(zhuǎn)換器的開啟與信息采集的協(xié)調(diào)控制，具體流程如圖2所示.

圖1 GPS數(shù)據(jù)采集的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 GPS data acquisition hardware structure diagram

圖2 GPS數(shù)據(jù)采集軟件流程圖Fig.2 GPS data acquisition software flow chart

從圖2可以看出，具體的數(shù)據(jù)采集流程為先上電啟動數(shù)據(jù)采集和處理模塊，對串口進(jìn)行初始化，從預(yù)設(shè)串口接收數(shù)據(jù)，判斷是否為有效幀，如果有效，將接收到的串口數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)段1中.然后，從陀螺儀和ADC0804芯片中分別采集GPS信號和車速數(shù)據(jù)，分別存儲到數(shù)據(jù)段2和數(shù)據(jù)段3中.最后，將3個(gè)數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并傳送到煤炭運(yùn)輸處的車載導(dǎo)航儀，數(shù)據(jù)采集和處理工作完成.

3 結(jié)語

本導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)采集和處理方案是針對煤炭運(yùn)輸車的物流導(dǎo)航而提出的.該方案主要針對煤炭運(yùn)輸車的物流特點(diǎn)和GPS數(shù)據(jù)采集與處理的原則，利用單片機(jī)通信及計(jì)算功能對傳感器所接收到的信號進(jìn)行采集，通過一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理和發(fā)送.本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，完全滿足了導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在保證穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)降低了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值.

[1] 曹曉航.GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)趨勢淺析[J].現(xiàn)代測繪,2006(1):14-17.

[2] 張飛舟,范躍祖,孫先仿.車輛組合導(dǎo)航定位技術(shù)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2000(6):32-35.

[3] 王洋.基于學(xué)習(xí)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)優(yōu)化研究[J].煤炭技術(shù),2013(7):196-198.

CoaltransportationvehiclenavigationsystemsGPSdataacquisitionandprocessing

JIANG Wei, FU Guo-ding

(SchoolofElectricalInformationandEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

In order to realize the coal truck specific route guidance, it needs to install on each coal truck car the navigation systems. This article focuses on the car navigation system, data acquisition and processing hardware and software design methods.

car navigation; data acquisition; SCM

2014-05-18

蔣威(1976-)，男，河南永城人，講師，主要從事電子電路和測控儀表的研究.

TN709

A

1674-330X(2014)03-0030-03