GPS定位监控系统在物流行业中的实现

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  【摘 要】市场竞争对物流企业的车辆和货物的调度管理提出了更高的要求,GPS和移动技术的普及为物流企业的信息化改造带来了很好的契机。本文从实际应用出发,在现有的物流企业车辆监控方案之上进一步完善,提出了一套较为成熟的设计思路,并对车载子系统的软硬件和通信格式做出较为详细的描述。
  【关键词】GPS;GPRS;GIS;物流
  中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1009-8283(2009)01-0099-03
  
  
  随着科技的发展,带来了GPS/GIS技术的成熟和SMS/GPRS无线数字通信技术的广泛应用,其与现代车辆的管理相结合,产生了巨大的市场和经济效益,带来了交通运输业革命性的进步。在车辆上安装车载GPS卫星定位系统后,通过中心监控系统可以对车辆进行实时监控,对管理部门改善交通安全、提高运输效率等具有积极的作用。
  
  
  1需求分析
  
  物流运输企业要在日益残酷的物流运输市场生存,必须要不断提升自己的管理能力,要不断站在客户(也就是发货方和收货方)的角度思考,不断探索如何才能更好的满足他们的需求。车辆运输过程管理跟不上经济和科技的发展,会产生很多问题,如对司机和货物的管理失控、空载率居高不下(全国货运空载率平均为49%)、不能满足客户对货物运输过程的知情权要求等等。通过一个融合了GPS卫星定位、GIS电子地图、GPRS移动通信、计算机网络等先进技术的监控系统,对车辆运输过程的不限时间、不限地点的全程跟踪监控,就可以彻底实现车辆运输过程透明化。
  物流行业一般有以下需求:
  1. 业务覆盖地域广
  2. 驾驶员、车辆众多,管理困难
  3. 对货物安全保障要求高
  4. 对系统响应要求灵活、及时
  5. 需要位置服务信息的需求多
  6. 数据共享程度要求高
  7. 要能够对车辆救援提供帮助
  8. 需要完善车辆统一信息管理
  
  2 名词解释
  
  GPS(Global Position System)全球定位系统是美国国防部于1973年11用授权开始研制的全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统,共由24颗绕地卫星组成。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优势,已成为目前世界上应用最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。近几年来,全球卫星定位系统的应用得到了迅速发展,GPS定位技术已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域。GPS信号的使用是免费的。
  GIS (Geographic Information System) 地理信息系统是一种基于计算机的工具,它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。这种能力使 GIS与其它信息系统相区别,从而使其在政府和企业中广泛的用于解释事件、预测结果、规划战略等。
  GSM(Global System for Mobile Communications)全球移动通信系统是欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计的数字移动通信系统,也是我国目前覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通讯系统。GSM系统可提供多种业务,目前已开通并较常用的业务有:话音、短信、数据等。
  GPRS(General Packet Radio Service)通用无线分组业务,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲,GPRS是一项高速数据处理的技术,方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上,按流量计费,费用非常低廉,可达到56~115Kbps的传输速度 ,现在GPRS的增强协议—EDGE的传输速度更是达到了GPRS的三倍。
  SMS(Short Message Service)短消息是GSM移动电信系统的补充业务之一,它借助GSM网信令传递间隙进行传送,不会占用话务信道。短消息每次限制在160个字符以内,这对GPS定位信息足够了。短消息的使用比较廉价,一般每条收费在2-10分,也有包月项目。短消息的编码支持英文、中文、韩文、日文等文字字符集及符号。
  在GPRS未广泛使用时,常用的无线信息交换方式以SMS为主。假设每5分钟定位一次,一天就需要480条短消息,即使是2分/条,一天的费用也达到9.6元,每月288元,所以SMS方式并不合算,而且还有3至5秒的延时。GPRS按流量计费,以每条定位信息200bit(ASCII编码),TCP/IP数据包首部320bit计算,采用针对个人用户包月200M的资费(每月20元,超过部分每Kb收费0.01元,集团用户包月费用还可大幅降低),用足200M的流量,可以每分钟定位9次,而且延时不超过1秒。如果改用二进制编码,信息量还可以大幅减少,完全满足连续定位的需要。基于以上原因,现在普遍采用GPRS的方式来组网。
  NMEA (National Marine Electronics Association)美国国家航海电子协会是大多是GPS模块都遵循的信号格式,一般以4800bps输出,其标准格式为:$GPGGA,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),M,(10),M,(11),(12)*hh(CR)(LF)。
  各部分所对应的含义为:?
  (1)定位UTC时间(格式hhmmss);
  (2)纬度(格式ddmm.mmmm:即dd度,mm.mmmm分);
  (3)N/S(北纬或南纬);
  (4)经度(格式dddmm.mmmm:即ddd度,mm.mmmm分);
  (5)E/W(东经或西经);
  (6)质量因子(0=没有定位,1=实时GPS,2=差分GPS);
  (7)可使用的卫星数(0~8);
  (8)水平精度因子(1.0~99.9);
  (9)天线高程(海平面,-9999.9~99999.9,单位:m);
  (10)大地椭球面相对海平面的高度(-999.9~9999.9,单位:m);
  (11)差分GPS数据年龄,实时GPS时:无;
  (12)差分基准站号(0000~1023),实时GPS时:无;
  *总和校验域;
  hh?总和校验数;
  (CR)(LF)回车,换行。
  我们的系统主要用到了时间、经纬度,在编程时可以很简单的从NMEA格式中取到这些数据。
  
  3 系统原理
  
  下面就如何建立采用GPS管理的物流企业的信息系统进行设计,由于篇幅所限,仅对原理进行说明,GPS应用部分适当展开。
  1. 车载子系统:
  实现包括实时定位、抢劫报警、遥控熄火、故障求助、行车记录等十几项功能。
  该系统分为三大块:GPRS DTU模块、GPS模块、控制及人机界面模块。为了节省开发周期,GPRS DTU模块和GPS模块采用成熟的工业产品,控制及人机界面模块自行开发,采用单片机控制。
  GPRS DTU模块采用自带TCP/IP协议栈,能实现全透明数据传输的型号。如泰亚东方的DTU2000、捷麦通信的G200、力创科技的LQ8110等,它们都带有标准的串行数据接口。
  GPS模块采用能输出国际标准NMEA格式的型号,可以通过软件轻易取得当前时间和位置信息。如GARMIN GPS25、东方联星的CNS100-GG、Holux GM-82等。其中美国GARMIN公司是世界上最著名、深受用户信赖的专业GPS厂家,在GPS的定位、导航领域一直走在世界最前列,在提供各种类型的GPS成品的同时,还提供一系列最经典的GPS OEM模块产品。由于GARMIN OEM模块的定位速度快、工作稳定、耐电压冲击和高抗干扰性,因而建议采用GARMIN GPS25板,定位精度可达5米,不需采用昂贵的差分接收机,大大降低了成本。安装时要注意天线部分不要被金属物体遮挡。
  控制及人机界面模块采用单片机,外接液晶显示、按键(或触摸屏)、声光、MIC、摄像头等部件。这是终端部分的神经中枢,控制实现位置数据的处理上报、控制中心指令的执行等功能。考虑到使用环境比较恶劣,在元器件的选择和抗干扰设计上要给予充分的重视。如果仅仅显示字符、文字信息,普通的单片机就可以满足要求,价格便宜,也不需要安装操作系统。
  然而,若要求显示图片、电子地图等,则对控制器的频率速度、存储空量都有较高的要求,建议使用200M以上的CPU,如Intel的StrongARM系列,但价格较高。针对各种小型数字设备的需求,目前各个半导体芯片厂商都投入了很大的力量研发、生产适用于这些设备的CPU及协处理器芯片。为了充分缩小尺寸,达到低功耗、低成本的要求,厂商甚至把少量存储器、液晶显示控制器以及I/O端口等也一并集成到芯片中。以上述处理器芯片为主,添加必要的外围电路并配以少量外设,就可以非常方便地设计出功能强大的电子类产品。对其外围模块进行不同的组合,可以针对不同要求,设计出不同功能、不同价位的嵌入式控制产品。
  操作系统可采用WindowsCE、VxWorks、Palm OS、Linux等,建议采用清华的THOS平台,该嵌入式系统不仅在硬件设计上具有外围器件少、可装卸、开发设计周期短等优点,而且在系统软件及驱动程序的开发上具有自主知识产权,达到了软硬件协同设计的目的。由于该操作系统主要定位在硬件紧密相连的控制系统和类PC系统,因而在保持和Linux系统兼容的基础上,具有易于向其它硬件平台移植的特点,以便根据不同的需要将其组合为满足不同要求的系统。
  2. 监控调度中心:
  实现GPRS通信、GIS、业务管理、数据库管理等功能。整个系统基于VB或VC等可视化编程语言,GIS部分利用MapInfo、TopMap等平台进行开发,数据库软件采用SQL Server。
  GPRS通信模块:由软、硬件组成,软件主要在后台执行,对收发的数据进行分析和处理;硬件通过GPRS网关连接移动服务商,建立与车载子系统的连接。
  GIS模块:使用高精度的电子地图实时显示用户(移动或固定目标)的位置及动态信息,电子地图包含多层信息;根据实际需求指定GIS比例;指定查询,中心控制台可随时点名查询车辆目前的位置、速度和运动方向;还有多窗口显示、轨迹回放、电子围栏、图形输出、堵车提示、自动导航等多种功能。
  业务管理模块:融合呼叫中心、货运撮合、仓储管理、车辆管理、人员管理、客户管理等子模块,内容最多,是物流企业信息化的主要部分。其中货运撮合部分实现的功能是面对分散的货物,通过一定的算法,将其最大限度的组合到一辆吨位合适的车辆上,使其行程最短、空驶率最低、货物滞留时间最少,而且要求运用GPS和GIS技术,能够对车辆和货物进行实时的调整,这是传统物流企业靠人力很难实现的难题。车辆管理部分具有定位、跟踪、油量纪录、报警、救援、调度、道路信息、任务下达等功能。
  数据库管理模块:对地图信息进行修改和增补,对货物信息进行管理,对于系统在运行过程中出现的各种事件进行记录、存贮备档,需要时可重新回放显示。
  3. 通信格式的约定上行编码格式:
  “H”+IP地址(4字节)+SIM卡号码(11字节)+结束码(1字节):车辆的GPRS DTU初次链接上GPRS网络时,发送一次本机IP地址和本机SIM卡号码,以便调度中心建立数据包IP与具体车辆的对应表;
  “C”+经度(7字节)+纬度(7字节)+时间(6字节)+备用数据(3字节)+状态码(1字节)+结束码(1字节),合计25字节:表示位置信息。状态码表示车辆的状态,用预先定义的不同字符表示不同的含义。
  下行编码格式:
  单字节控制码,也可加上不限长度的内容:如“A”表示后面的数据是需要显示在车载单元屏幕上的内容,包含堵车信息、行车向导、任务等;“B”表示用声音提示现在超速;“C”表示切断发动机电源并用声光报警;“D”表示建立话音通道等。
  4. 车辆在不同情况下的信息处理
  车辆正常行驶时的处理:每10~20秒发送一次位置信息,并用特定的状态码表示;
  车辆正常熄火时的处理:每半小时发送一次位置信息,并用特定的状态码表示;
  车辆不动时的处理:每2分钟发送一次位置信息,并用特定的状态码表示;
  车辆丢失GPS信号时的处理:发送最后一次定位成功时的位置信息,并用特定的状态码表示;同时开始计时,如10分钟内仍无法定位,就建立话音通道了解情况;
  车辆在无移动网络区域的处理:继续按规定时间间隔收集位置信息,存储在缓存中,在重新找到网络后,加上特定的状态码一起发送;
  车辆被盗抢时的处理:连续传送位置信息,并用特定的状态码表示;调度中心发出下行指令要求终端静默打开话音通道并进行录音,有条件的还可以进行实时图片传输(EDGE可每秒传输8帧30万像素的图片);根据需要可以切断发动机电源并用声光报警;
  车辆故障需要施救时的处理:每10分钟发送一次位置信息,并用特定的状态码表示;
  司机要求语音通话时的处理:根据资费而定,哪一方主叫资费便宜就由哪一方拨号,如果GPRS资费便宜,也可以采用IP通话方式;
  
  4 拓扑结构
  
  


  
  5 系统优点
  
  1、稳定可靠:充分利用市场上成熟的软硬件模块和开发系统,具有研发周期短、质量可靠、精度高、价格合理的特点,使整个系统具有很好的易用性、稳定性、扩容性和可模块化升级的优势。
  2、使用费用低廉:安装费用的高低不是客户考虑的主要因素,后期的使用费用才是考验客户承受能力的主要方面。与其它方式相比,GPRS具有信号覆盖好、费用低、延时短、实时在线的特点,优势明显,长期使用成本低。
  3、功能完善:系统不但定位精度高,而且有很好的人机界面,可以实现车货定位、车货撮合、防盗防抢、故障施救、自动导航、仓储管理等功能,满足绝大部分物流企业的信息化需要。
  
  6 结束语
  
  物流企业的信息化改造是企业应对国际竞争环境、提升自身实力的必由之路。它可以为企业带来明显的优势:
  1、客户的满意度提高:通过GPS调度准时的派出车辆,并在最短时间内到达客户制定指点;同时客户可以随时通过GPS查询到自己的货物的真实位置。客户满意度提高,是客户首选合作伙伴的重要条件,也是客户介绍新客户的重要因素;
  2、提高市场竞争力:GPS调度管理系统所带来的科技化,智能化的完善,使公司的信誉度不断的提高,仓储和人员管理费用有效得到控制,利润率不断的增长,得到客户、同行业的认可和支持,公司的信任度不断的提高。
  3、车货统一管理和高效调度:GPS调度中心随时随地掌握每一辆车的状态、每一件货的位置,就能做到对任何车辆进行统一GPS调度管理和指挥。既不会因客户需要而调用不到车辆,更不会因空车或回头车辆空载行驶。(责任编辑:晏欢)
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