摘要：近年來物流行業發展迅速，提出了一種基于GPS(全球定位系統" title="全球定位系統">全球定位系統)和CDMA(碼分多址" title="碼分多址">碼分多址)技術的物流車輛監控終端的設計方案。采用S3C2440 A ARM芯片作為主控芯片，選取合適的GPS模塊和CDMA模塊進行硬件設計。研究分析了GPS和CDMA技術。在WinCE 5．0" title="WinCE 5．0">WinCE 5．0平臺上設計了GPS串口接收程序，以及終端與監控中心的無線通信程序。結果表明，本系統運行穩定，數據刷新時間小于3 s，GPS位置漂移值小于20 m。
關鍵詞：全球定位系統；碼分多址；WinCE 5．0；嵌入式操作系統" title="嵌入式操作系統">嵌入式操作系統；物流終端" title="物流終端">物流終端
隨著我國國民經濟、交通運輸業的不斷發展，物流運輸行業成為了推動國民經濟快速發展必不可少的基礎產業。各類物流運輸倉儲企業雖然在長期發展過程中已經積累了豐富的實踐經驗，但車輛動態信息的實時監控一直未能得到完善地解決，例如，信息反饋不及時、不精確、不全面等問題導致了運力的大量浪費與運作成本居高不下。利用GPS對物流車輛以及物流對象進行管理監控已成為了發展趨勢。
針對上述情況，本文對物流車輛監控終端進行研究，提出了基于GPS+GIS+CDMA的總體系統構架。系統將全球定位系統(Global Position-ing System，GPS)、地理信息系統(Geographic Information System，GIS)以及CDMA(Code Division Multiple Access)無線通信技術融于一身。
本文設計的物流運輸車輛監控終端，通過GPS衛星定位獲得車輛的經緯度等信息后，經過CDMA無線通信網絡與監控中心進行通信，實時地將運輸車輛的各種信息傳輸給監控中心，供監控中心對整體運輸車隊進行顯示、查詢、調度。
1 系統總體設計
基于GPS和CDMA的物流運輸車輛監控系統由車輛監控終端、數據傳輸網絡以及監控中心組成。其中數據傳輸網絡由CDMA網絡和Internet組成。
通過GPS衛星網絡，車輛終端能夠對物流車輛和物流對象進行精確定位，經CDMA無線網絡接入Internet鏈接到監控中心服務器，實時向監控中心傳輸物流車輛的經緯度、速度、航向、海拔、時間等GPS數據信息，監控中心可以在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上顯示、查詢車輛的各種信息，實時監控車輛運行狀態。
另外監控中心還具有與車載終端通訊的功能，能夠對物流運輸車輛實時調度、對突發事故進行及時處理，適用于各種物流交通領域。
2 終端硬件設計
本文設計的物流車載終端硬件結構由S3C2440A、JTAG片上調試接口、視頻接口、音頻接口、復位電路、CDMA無線通信模塊、GPS模塊、電源電路、LCD觸摸屏、鍵盤等組成，外接SDRAM、NAND FLASH、NOR FLASH作為外部存儲器，其硬件結構如圖1所示。
2．1 CPU選型
為了滿足系統對實時性、大數據量處理、GPS信號接收、CDMA數據發送等各方面的要求，終端采用三星公司的S3C2440A 32位ARM芯片作為CPU。S3C2440A采用了先進的ARM920T內核，片上集成了3路UART串口，2路SPI口，8路10位ADC，具有日歷功能的RTC，帶PLL的片上時鐘發生器，130個通用I／O口，24個外部中斷源等豐富的資源，易于開發，是一款性價比非常高的芯片。
2．2 CDMA模塊接口設計
終端采用了華為EM200 CDMA1X模塊。該模塊工作頻段為800 MHz，最大發射功率為0．25 W，接收靈敏度小于-106 dBm，工作電壓3．3～4．2 V，集成了UART，UIM卡，天線等豐富的資源接口。支持標準AT指令集。極限工作溫度為-30℃～+75℃，工作溫度范圍廣，適合各種物流運輸環境。
S3C2440A有3個UART串口，EM200模塊與S3C2440A通過串口1相連，因為二者輸入輸出都是TTL電平，所以無需電平轉換可直接相連，其中EM200的
管腳是數據發出端，與S3C2440A的RXD端相連；EM200的
管腳是數據接收端，與S3C2440A的TXD端相連，由此實現了兩者之間的數據收發。華為EM200 CDMA1X模塊與S3C2440A連接圖如圖2所示。
其中S3C2440的TXD0、nRTS0、DTR腳，分別經過3個1 kΩ電阻與EM200的
腳相連，目的是防止電流過大對芯片造成損害。
2．3 GPS模塊接口設計
GPS模塊是終端實現精確定位的關鍵，是終端設計的核心，所以本終端選取了Gstar公司的SIFEIII代GS-15B模塊。
GS-15B是一個高效能、低功耗的智能型衛星接收模塊。它采用臺灣聯發科技股份有限公司所設計的MT3329F衛星定位接收芯片，是一個完整的衛星定位接收器。同時具備全方位功能，能滿足專業定位的嚴格要求與工業級需求。內置GPS天線，采用MTK高靈敏度、低耗電量芯片MT3 329F。具備快速定位及追蹤32顆衛星的能力。體積超小，芯片內建20萬個衛星追蹤運算器，大幅提高搜尋及運算衛星訊號能力。支持NMEA-0183 v2.2版本規格輸出。接收靈敏度為-157 dBm，工作溫度為-40℃～85℃，TTL電平輸出，工作電壓3．3～5．0 V，冷啟動定位時間僅為42 s，平均定位精度為10～15 m。既滿足了終端對高性價比需求，也滿足了終端的精確定位的需求。
S3C2440A與GS-15B的接口連接圖如圖3所示。終端使用S3C2440A的串口2連接GPS模塊，為了增強驅動能力，在S3C2440A的TXD1和PXD1管腳上加了2個100 kΩ的上拉電阻。終端一般只接收GPS信息，不對GPS做寫操作，所以為了保護芯片，在S3C2440A的RXD1與GS-15B之間加了1個100 Ω的電阻和1個型號為MCIA148的反向二極管，從而保證了終端運行時的穩定。
3 終端軟件設計
終端的軟件部分是基于WinCE 5．0嵌入式操作系統設計的，WinCE是一個多任務、完全搶占式的32位嵌入式操作系統，支持WinCE MFC、ATL、WinCE API和一些附加的編程接口以及各種通信技術。WinCE嵌入式操作系統具有操作界面良好、實時性較高、占用資源少、開發工具豐富以及強大的技術支持等優勢，充分滿足本終端軟件的設計需求。
3．1 終端軟件設計流程
首先系統上電，啟動bootloader，加載WinCE內核，啟動WinCE嵌入式操作系統。然后初始化CPU、LCD、GPS，CDMA等外圍模塊，再加載串口驅動和網絡協議，若加載成功則執行用戶應用程序，若加載失敗則返回，重新加載串口驅動和網絡協議。其中終端的用戶應用程序包括：CDMA無線網絡接入程序、網絡數據傳輸程序、GPS串口接收程序等。終端軟件設計流程圖如圖4所示。
3．2 CDMA無線網絡接入程序
終端通過AT指令控制CDMA模塊，實現無線網絡接入和網絡數據傳輸。
系統運行后，首先初始化CDMA模塊，設置波特率為115 200 b／s，然后進入撥號等待狀態，終端經過PPP撥號連接登錄網絡，接入號為777，用戶名和密碼均為card。確認登陸網絡成功后，則調用GPS串口接收程序和網絡數據傳輸程序，采用定時方式向監控中心發送終端的GPS定位信息。
建立PPP(point-to-point protocol)連接的AT指令及返回值如下：
3．3 CDMA無線網絡通信程序
終端通過CDMA網絡接入Internet后，無線網絡通信程序將終端解析的GPS數據通過Intemet上傳到監控中心。本終端軟件設計采用流格式套接字進行網絡通信，對應于TCP／IP協議中面向連接的TCP協議。網絡數據傳輸程序采用客戶機／服務器機制編程，終端(客戶機)進程由用戶操縱；而監控中心(服務器)進程則駐留在主機上連續運行，等待終端連接請求進入。
監控中心的網絡通信程序流程如下：1)用socket()函數創建套接口，并給套接口地址結構賦值；2)用bind()函數使套接口與本地IP地址、端口號綁定，選用靜態IP地址；3)用listen()函數在該套接口上監聽連接請求；4)用accept()函數接收終端連接請求，產生新的套接口及描述字并與終端連接，利用新的套接字發送和接收數據；5)用fork()函數派生新的子進程與終端通信，父進程繼續監聽其他請求。這樣就可避免一個終端與監控中心建立連接后，監控中心不能再與其他終端通信的問題。
終端的TCP程序流程如下：1)用socket()創建本地套接口，給監控中心套接口地址結構賦值；2)用connect()函數使本地套接口向監控中心套接口主動發出建立連接請求，經三次握手建立TCP連接；3)若連接建立成功，則用send()和recv()函數與監控中心通信；4)通信結束，用close()關閉套接口。
3．4 終端GPS串口程序
軟件開發工具采用EVC(embedded visual C++)，EVC是Windows CE上的主流開發工具，封裝了網絡底層通訊、COM互操作、RAPI等。EVC支持MFC類庫的子集，使Win32平臺上的VC程序可以方便地移植到WinCE平臺上。
終端GPS串口程序主要完成兩個功能：接收GPS數據和解析GPS數據。GPS模塊輸出遵循NMEA-0183標準。程序流程如下：
1)使用OpenPort()函數打開串口，該函數使用創建文件函數CreatFile()打開串口2，以獲取串口2的操作句柄m_hComm；
2)如果串口2打開成功，則讀取當前串口的設置，即通過GetCommState()讀取串口參數結構體DCB變量；
3)用SetCommState()對串口2進行相應的設置：如設置波特率為4 800 b／s，8位數據位，無奇偶校驗，1位停止位，無數據流控制；
4)按位讀取數據，判斷幀起始是否為$GPRMC，若為$GPRMC則從中提取時間、經度、緯度、速度等信息并存入相應結構體；判斷幀起始是否為$GPGGA，若為$GPGGA則從第9字段提取海拔高度并存入相應結構體；判斷幀起始是否為$GPGSV，若為$GPGSV則從中提取有效衛星數目、有效衛星編號等信息并存入相應結構體；
5)用SetWindowText()在LCD上顯示接收到的GPS數據和解析后的GPS信息；
6)最后，在需要時用ClosePort()函數關閉串口2。該函數使用CloseHandh()關閉串口2的句柄m_hComm。
4 運行結果
本文所設計的終端軟件運行結果如圖5所示。終端GPS數據顯示包括UTC時間、經緯度、星歷、方向、海拔等。實現了全面地、直觀地顯示GPS數據的功能，具有友好的人機界面風格。其中圖5(a)中可以對GPS串口進行配置，以及顯示接收到的原始NEMA-0183語句。圖5(b)中的經緯度是在天津市北辰區河北工業大學新校區測得的，精確到秒級，經度為東經117°41’34．4”，緯度為北緯39°37’6．2”。測試時間是2010年6月6日，下午16點24分22秒。
測試表明，終端軟件能平穩地運行在嵌入式WinCE 5．0系統上，具有良好的實時性和準確性。
另外，終端通過CDMA無線通信網絡實時地將GPS定位數據傳給監控中心，監控中心的電子地圖上即實時顯示終端的地理位置。經測試，終端的實際位置與電子地圖上的位置完全符合，并且具有良好的實時性，數據刷新時間小于3 s，GPS位置漂移值小于20 m。
5 結束語
針對我國物流行業快速發展的背景，本文對基于GPS和CDMA的物流車輛監控終端進行了軟硬件設計。實現了對物流車輛的遠程監控和實時調度。相比傳統的車載終端，本設計采用32位ARM處理器，具有更快的處理速度、更大的存儲空間、更直觀的界面顯示等優點。尤其在GPS數據無線傳輸方面采用了CDMA無線通信技術，比傳統GPRS技術更適用于長距離、大數據量、實時性要求非常高的車載終端領域。隨著3G移動通信系統的發展，采用CDMA網絡的GPS終端更易于向3G網絡平滑過渡，會有更廣闊的應用前景。