基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 明

(寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 明

(寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

目前隨著交通復(fù)雜程度的不斷增大，當(dāng)前的交通通信系統(tǒng)無(wú)法滿足車輛間遠(yuǎn)程、及時(shí)通信的要求，降低了行車安全性;為此，設(shè)計(jì)一種基于基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能，以ARM920T芯片為核心，利用通信管理機(jī)完成數(shù)據(jù)交換，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì);基于ARM920T的車輛通信子系統(tǒng)通過(guò)車輛通信對(duì)車輛的行駛進(jìn)行及時(shí)的路線跟蹤、碰撞提醒，狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及歷史軌跡顯示回放;對(duì)通信子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，子系統(tǒng)分別為車輛定位系統(tǒng)以及車輛調(diào)度系統(tǒng)，構(gòu)建車輛通信模型，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車輛精準(zhǔn)遠(yuǎn)程通信，并結(jié)合蟻群算法對(duì)車輛通信模型進(jìn)行求解;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)不僅通信精度高，而且成本較低，實(shí)時(shí)性優(yōu)。

ARM920T；嵌入式；遠(yuǎn)程；及時(shí)；通信系統(tǒng)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的大幅度提高，交通業(yè)發(fā)展迅速，汽車也逐漸大范圍深入人們生活[1]，因此，車輛的安全駕駛、交通管理以及車輛間的信息交換等日益引起人們的關(guān)注。車輛在行駛過(guò)程中，信息交換尤為重要，如自動(dòng)剎車信息、危險(xiǎn)警告、位置信息、碰撞告警、速度信息等等[2]，所以車輛通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。車輛通信網(wǎng)絡(luò)就是在汽車上裝載移動(dòng)通訊設(shè)備，為高速行駛中的車輛提供一種高速率的寬帶無(wú)線接入方式，構(gòu)建一個(gè)以車輛為載體的龐大的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)，包括車輛內(nèi)部個(gè)部件、車輛與車輛之間、車輛與路邊基站之間的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)等[3-4]。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于GSM的車輛通信系統(tǒng)，通過(guò)GSM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)定位通信，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，但短消息長(zhǎng)度無(wú)法達(dá)到車輛行駛中中各種信息交流的要求，不能及時(shí)排除無(wú)用告警；文獻(xiàn)[6]對(duì)各種車輛危險(xiǎn)事件的特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種多模式分層網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建以費(fèi)用最低為目標(biāo)的規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)車輛間的通信。該系統(tǒng)整體成本低，但實(shí)時(shí)性較差；文獻(xiàn)[7]在考慮城市交通復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，通過(guò)信息表對(duì)各道路信息進(jìn)行描述，構(gòu)建車輛路線通信模型，通過(guò)時(shí)間矩陣對(duì)行駛時(shí)間進(jìn)行改進(jìn)，大大提高效率，但該系統(tǒng)存在浪費(fèi)資源的弊端。

針對(duì)上述系統(tǒng)的弊端，研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)，通過(guò)車輛通信子系統(tǒng)和車輛通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究系統(tǒng)不僅定位精度高，而且通信成本和時(shí)間均較低，實(shí)時(shí)性優(yōu)。

1 基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

對(duì)嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要以ARM920T芯片為核心，利用通信管理機(jī)完成數(shù)據(jù)交換，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

通信管理機(jī)[8-9]主要用于各智能設(shè)備及系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。它是各設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的通信樞紐，是自動(dòng)化系統(tǒng)不可缺少的重要設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的硬件核心部件是嵌入式處理器，此外，還包括一些嵌入式外圍設(shè)備。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括了外圍存儲(chǔ)設(shè)備、外圍接口設(shè)備(串口、網(wǎng)口和USB接口)、外圍顯示設(shè)備(LCD和觸摸屏)。嵌入式處理器[10]、ARM920T芯片和外圍設(shè)備共同構(gòu)成了基于ARM920T的開發(fā)板。

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)由于速度慢、功耗大且實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議十分困難，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足高速發(fā)展的工業(yè)系統(tǒng)對(duì)大量信息管理的需要。隨著ARM工業(yè)級(jí)芯片[11-12]的不斷成熟及嵌入式的不斷完善，開發(fā)基于ARM和嵌入式結(jié)合的通信系統(tǒng)是很有必要的。所提系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

如圖1所示，為完善改通信系統(tǒng)功能，外擴(kuò)了4路RS-485、RS-422串口通信，2路CANV2.0總線、32路開關(guān)量輸入、輸出功能，并且結(jié)合實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以掉電保持，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)實(shí)用性，電源監(jiān)測(cè)電路[13]使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗干擾能力。該嵌入式遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使得孤立的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有機(jī)鏈接，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信功能，體現(xiàn)了提出的嵌入式通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程性和及時(shí)性。

1.2 通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上一節(jié)所述的系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)思路，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛間的高精度通信，需要增加兩個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這兩個(gè)子系統(tǒng)能夠?qū)囕v進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程定位本節(jié)研究的基于ARM920T的通信子系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)定位功能。對(duì)行駛車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；

2)調(diào)度功能。當(dāng)車輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)事故，及時(shí)制定維修路線。依據(jù)定位的故障位置規(guī)劃與其距離較近的檢修車輛的行駛路線，實(shí)現(xiàn)車輛快速調(diào)度[14-15]，防止交通擁堵。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本節(jié)將基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)延伸出兩個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：一個(gè)子系統(tǒng)為車輛定位子系統(tǒng)；另一個(gè)子系統(tǒng)為車輛維修子系統(tǒng)，下面針對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析[16-17]。

圖1描述的是本節(jié)設(shè)計(jì)的車輛定位子系統(tǒng)。通過(guò)定位對(duì)車輛的行駛軌跡進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)車輛的定位追蹤、實(shí)時(shí)及歷史軌跡顯示回放。

分析圖2可知，本節(jié)設(shè)計(jì)的車輛定位子系統(tǒng)主要由GPS車輛終端、移動(dòng)終端信息接收服務(wù)器、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、WebGIS系統(tǒng)構(gòu)成。GPS車輛終端[18]是數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要用于GPS信息的采集及數(shù)據(jù)傳輸；移動(dòng)終端信息接收服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和保存GPS信息；WebGIS系統(tǒng)中的地圖數(shù)據(jù)為GIS系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù)，其利用接口得到最新的GPS信息數(shù)據(jù)，完成定位展示。

圖2 定位子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3描述的是車輛調(diào)度子系統(tǒng)。

圖3 車輛調(diào)度子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，基于ARM920T的車輛調(diào)度子系統(tǒng)主要包括智能可視化調(diào)度中心、GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、GPS車載終端、GPS 智能終端。

智能可視化調(diào)度中心[19]對(duì)車輛、人員、交通路網(wǎng)等進(jìn)行管理。當(dāng)出現(xiàn)重大故障時(shí)，智能可視化通信中心依據(jù)定位結(jié)果對(duì)車輛及人員進(jìn)行合理調(diào)度。車輛調(diào)度子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 車輛調(diào)度子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

1.3 嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信方法

對(duì)所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)通信方法的概述，以車輛發(fā)生事故為前提，下面對(duì)車輛通信系統(tǒng)算法進(jìn)行詳細(xì)分析[18-20]。

假設(shè)有1個(gè)通信中心和n個(gè)車輛事故點(diǎn)，用i=0,1,…,n進(jìn)行描述。依據(jù)車輛通信結(jié)果可知，通信中心可調(diào)度的車輛有m臺(tái)，符合m

假設(shè)Sk是第i輛車服務(wù)的客戶個(gè)數(shù)，在對(duì)電力事故進(jìn)行檢修時(shí)，只有在所有事故地點(diǎn)均得到妥善處理，整個(gè)任務(wù)才完成。假設(shè)某臺(tái)車輛i的行駛路線為0→i1→i2→…→ik→0，則地點(diǎn)ik即為其最后到達(dá)的地點(diǎn)，該車輛的服務(wù)完成時(shí)間可描述成：

Tik=toi1+ti1i2+…+tik-1ik+tik0

(1)

最后一輛車處理完事故并回到出發(fā)地的時(shí)間用T進(jìn)行描述，則有：

(2)

(3)

(4)

除了運(yùn)行時(shí)間外，在構(gòu)建通信模型時(shí)，本節(jié)也考慮運(yùn)行成本，車輛運(yùn)輸總成本可通過(guò)下式求出：

(5)

其中:Cj用于描述第j輛車的運(yùn)行成本。

綜合考慮運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行成本，可建立以下車輛通信模型：

(6)

(7)

約束條件如下：

(8)

第一個(gè)約束條件代表一處電力事故智能有1輛車輛提供服務(wù)；第二個(gè)約束條件代表車輛只在分配至任務(wù)地點(diǎn)時(shí)才會(huì)駛?cè)?；第三個(gè)約束條件代表車輛只從服務(wù)地點(diǎn)駛出；第四個(gè)約束條件代表每條路徑上的事故點(diǎn)低于總事故數(shù)；第五個(gè)約束條件代表所有與事故點(diǎn)均被處理完成。

通過(guò)蟻群算法[20]對(duì)車輛通信模型進(jìn)行求解，獲取車輛行駛最佳路線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

本節(jié)將某市多個(gè)交通繁華區(qū)域作為研究對(duì)象，該市在交通早高峰會(huì)出現(xiàn)車輛擁堵現(xiàn)象，在一段時(shí)間內(nèi)車輛密度偏大，這樣的情況適合引用到實(shí)驗(yàn)中，來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)的有效性。

2.2 本文系統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體界面如圖5所示。

圖5 本文系統(tǒng)總體界面

首先將實(shí)驗(yàn)位置在地圖上標(biāo)記出來(lái)，如圖6所示。

圖6 車輛通信實(shí)驗(yàn)位置點(diǎn)

如圖7所示，在沒(méi)有進(jìn)行遠(yuǎn)程及時(shí)通信時(shí)，發(fā)生事故點(diǎn)如圖，圖上所標(biāo)為最近維修點(diǎn)的人員維修情況。

圖7 車輛通信

在次基礎(chǔ)上，利用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)交通擁堵車輛進(jìn)行通信，令其安全行駛，排除危險(xiǎn)告警，發(fā)生事故地點(diǎn)標(biāo)記如圖8所示。

圖8 車輛通信

由上述的兩個(gè)圖可以明顯看出，使用本文設(shè)計(jì)的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)可以大大提高車輛密度多大時(shí)車輛行駛的安全性，大幅度降低了交通高峰時(shí)段交通事故發(fā)生的概率。

2.3 子系統(tǒng)的定位性能以及調(diào)度性能測(cè)試

本節(jié)將GSM系統(tǒng)和EPLS系統(tǒng)作為對(duì)比，對(duì)本文系統(tǒng)的定位性能以及調(diào)度性能進(jìn)行測(cè)試。

三種系統(tǒng)定位結(jié)果如圖9所示。

圖9 車輛定位結(jié)果對(duì)比

由圖9可以看出，本文所設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)定位精度更高。為了不失一般性，分別采用本文系統(tǒng)、GSM系統(tǒng)和EPLS系統(tǒng)對(duì)采用的70輛車輛進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值，則三種系統(tǒng)總位置誤差比較結(jié)果如圖10所示。

圖10 三種系統(tǒng)定位位置誤差比較結(jié)果

分析圖10可以看出，本文系統(tǒng)的位置誤差曲線一直低于GSM系統(tǒng)和EPLS系統(tǒng)，更能夠說(shuō)明本文系統(tǒng)的定位精度很高。

對(duì)于所設(shè)計(jì)的車輛調(diào)度子系統(tǒng)性能的測(cè)試結(jié)果如圖11所示，隨著調(diào)度時(shí)間的加長(zhǎng)，不同系統(tǒng)對(duì)調(diào)度的車輛數(shù)各不相同，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中來(lái)看，相同調(diào)度時(shí)間下，本文設(shè)計(jì)調(diào)度子系統(tǒng)所調(diào)度的車輛更多，說(shuō)明調(diào)度效果更為理想。

圖11 子系統(tǒng)車輛調(diào)度效果對(duì)比圖

2.4 通信效率測(cè)試

表1描述的是本文系統(tǒng)制定的70輛通信車輛的出發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)，及其需要達(dá)到的目的點(diǎn)坐標(biāo)，因篇幅限制，僅給出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 車輛數(shù)據(jù)表

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的通信性能，將GSM系統(tǒng)和EPLS系統(tǒng)對(duì)通信結(jié)果作為對(duì)比，三種系統(tǒng)所需的通信成本和通信時(shí)間如表2所示。

表2 三種系統(tǒng)通信時(shí)間和成本比較結(jié)果

分析表2可以看出，與GSM系統(tǒng)和EPLS系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)所需的通信成本和通信時(shí)間均更低，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的通信性能。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM920T的嵌入式遠(yuǎn)程及時(shí)通信系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能，以ARM920T芯片為核心，利用通信管理機(jī)完成數(shù)據(jù)交換，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)車輛通信子系統(tǒng)和車輛通信子系統(tǒng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)車輛通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究系統(tǒng)不僅通信精度高，而且通信成本和時(shí)間均較低，實(shí)時(shí)性優(yōu)。

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Design of Embedded Remote and Timely Communication System Based on ARM920T

Li Ming

(Department Electronics and Electric Engineering，Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016,China)

At present, with the increasing complexity of traffic, the current traffic and communication system can not meet the requirements of remote and timely communication between vehicles, and reduce traffic safety. Therefore, based on the design of a embedded remote timely communication system based on ARM920T, introduced the system to achieve the function, use ARM920T chip as the core, to complete the data exchange using the communication management machine, combined with the embedded system platform to complete the system hardware design. The vehicle communication subsystem based on ARM920T carries out the vehicle route tracking, collision warning, status monitoring and historical track display and playback of vehicle through vehicle communication. The design of communication subsystem, subsystem for vehicle positioning system and vehicle scheduling system, construct the vehicle communication model, to achieve accurate vehicle remote communication, combined with the ant colony algorithm to solve the vehicle communication model. The experimental results show that the designed communication system not only has high communication accuracy, but also has low cost and good real-time performance.

ARM920T; embedded system;Long-range；in time; communication system

2017-05-12；

2017-05-29。

寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(ZK16122)；寶雞市科技計(jì)劃項(xiàng)目(16RKX1-9)。

李 明(1982-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，講師，主要從事通信與信息系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)08-0175-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.045

TP311

A