煤炭运输车车载导航系统中GPS数据的采集与处理

蒋 威, 付国定

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

煤炭运输车车载导航系统中GPS数据的采集与处理

蒋 威, 付国定

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

为了提高煤炭物流运输控制的精确度，使大宗煤炭商品高效运输，需对煤炭运输车的具体路线进行导引，在每台煤炭运输车上安装GPS车载导航系统.主要讨论了一种车载GPS导航系统的功能分析与总体设计方案，完成了车载导航系统的数据采集和处理模块的软硬件设计.

车载导航；数据采集；单片机

物流如今已成为了人们生活中必不可少的一部分，煤炭行业对煤炭的运输也都采用物流的方式，通过在煤炭运输车上安装GPS对煤炭运输车的行驶和运输进行导航.对GPS车载导航系统的总体设计进行了描述，并针对GPS车载导航最关键的数据采集的软硬件系统进行了深入的探讨.

1 GPS车载导航系统的总体设计

本GPS车载导航系统是应用在煤炭运输车上的，属于煤炭物流运输的范畴，所以首先是一个物流路线指引系统.煤炭运输车的司机能够通过北斗系统获取现在的位置信息和煤炭运输中心发送的行进指示并上报最新位置，可以视情况对物流路径进行动态修改，煤炭运输管理员也可以查询各煤炭运输车的位置并对线路进行合理分配.其次，本系统还是一个物流订单管理系统，系统管理员可以对客户进行管理并更新订单信息，使用者也可以查询委托给物流公司的物流订单现在的位置以及完成程度.

物流路线指引系统的主要功能有如下几点：①司机可以通过北斗(GPS)系统来获取煤炭运输车现在的经纬度，利用本车载地图导航系统在地图上确定自己的位置；②司机可以利用车载地图导航系统获取煤炭运输管理员发送的物流行进路线信息；③司机可以视情况改变物流行进路线；④车载地图导航系统利用GPRS定时向系统发送行车经纬度；⑤如果行进路线与煤炭运输管理员发送的路线偏离，车载地图导航系统会利用GPRS向系统发送报告更新路线并将此路线的物流密度设置为“高”；⑥物流管理员可根据路况和物流密度制定物流行进路线；⑦物流管理员可查询司机的行车位置；⑧物流管理员可查询区域物流密度.

物流订单管理系统的功能如下：①物流使用者(用户)可以注册并登录系统；②用户可以随时注销登录；③用户可以修改自己的个人信息(private)；④用户可以检索自己的物流订单；⑤用户可以查看自己的物流订单现在的状态(运行位置、放置地点和目前的运行率等)；⑥系统管理员可以完成物流使用者可以完成的一切非private功能；⑦系统管理员可以管理用户信息和用户请求是否给予答复；⑧系统管理员可以管理物流订单信息.

2 GPS数据的采集与处理

导航电子地图[1]在本系统中占有重要的地位，而导航电子地图数据的生成是一项庞大复杂的工作.导航电子地图数据的生成包含两大部分——GPS数据的采集和拓扑关系的建立.GPS数据采集的主要途径有数字化仪输入和扫描仪输入.数字化仪输入耗时多，但事后处理简单，输出的为矢量化地图；扫描仪输入虽然速度快、效率高，但事后处理复杂，还需要进一步对栅格图形矢量化.

2.1原则

GPS需要的信息非常多，主要是各种空间对象的几何信息，如位置信息包括建筑物、道路、公园等的位置.除了空间信息，还有标注信息.并且，煤炭运输车的车载导航系统除了具备一般导航系统的特点之外，还有其自身的特点，主要表现在如下几个方面：①数据量大.煤炭运输车的车载导航并不仅仅对车辆行驶路线进行指引，而且要根据具体的物流情况对车辆具体的行驶情况进行分析，这些数据量对于单独的车载导航来讲是巨大的.②结构复杂.城市的发展速度是飞快的，城市内道路的交通情况也随着城市的发展不断变化且越来越复杂.例如，道路行驶的限制条件越来越多，城市立交等复杂的交通特征越来越普遍，现在的交通规则的变化也越来越快，这些因素在GPS数据采集时都要考虑进去，所以要实现地图匹配[2]非常困难，GPS车载系统的数据结构也因此变得非常复杂.

在GPS车载导航系统中使用上述所有的信息是不利于数据库的管理和分析的，而且也没有必要.在GPS车载导航系统中，所需要的数据主要为公路和一般地物两类，为满足导航需要，数据采集应遵循以下原则：①选取主要公路.公路是煤炭运输车行驶的主要道路，所以GPS数据必须将道路作为其操作与分析的主体.按照公路的等级情况和公路相连的地物的重要性，可以将公路分为主要公路和次要公路.主要公路和次要公路的数据采集情况要分别对待,如果是主要公路，那么它的数据要全部选取，如果在其范围内有与其相冲突的其他地表元素，那么这些元素数据要全部挪位或删除.②选取次要公路.次要公路的数据采集情况和主要公路不同，次要公路的数据要为主要公路服务，所以要选择和主要公路或重要地物相连的次要公路，要符合整个公路网的特征描述并且要分布合理以利于GPS系统对路网进行分析.③选取一般地物.一般地物的选择要以对煤炭运输车的车辆导航是否产生重要的影响为参考，如果是特殊或者有特别标识的建筑，那么该地物就需要选择作为GPS车载导航的地物数据.选取的主要原则是重要地物全部选取，次要地物是否选取要考虑到整个GPS的合理性.

2.2硬件设计

在遵循GPS数据采集的原则下进行GPS数据采集和处理系统的硬件和软件设计.由于煤炭运输车的车载GPS系统的工作环境比较恶劣，数据采集模块会受到电磁脉冲信号的干扰，所以设计的数据采集模块必须具备很强的抗干扰能力.同时，数据采集模块还必须能够采集不同类型的数据.针对这些需求，在设计GPS数据采集和处理模块时，要同时做到以下两点：①要保证GPS数据采集和处理的可靠性和稳定性；②要尽可能地降低数据采集和处理模块的成本.因此，选择AT89C51芯片单片机作为数据采集和处理模块的主要通信部件.AT89C51芯片是一个8位的CMOS微控制芯片，具有功耗低、体积小、性能高、价格低、集成度高并且易于扩展等特点，用作煤炭运输车的GPS车载导航系统的数据采集和处理芯片是非常适合的，它起到了协调各个模块工作的作用[3].

AT89C51芯片的内部没有A/D转换器，不能将陀螺仪输出的直流电压信号转换为8位数字信号而只能读取8位数字信号，所以完成转换工作就只能借助其他组件.本系统选择一片ADC0804作为A/D转换器，它能将陀螺仪输出的直流电压信号转换成8位数字信号，还能增加外部电路，将整个数据采集和处理模块的电压扩展为-5～+5 V，满足陀螺仪工作的需要.另外，数据采集和处理模块上还有一个转速仪组件直接连接单片机的定时/计数器，通过测量1 s内的脉冲数来计算煤炭运输车的车速.该模块还有一个GPS信号的接收装置，本系统选择了GPS_25作为GPS信号接收芯片对GPS卫星信号进行接收，将接收到的信号进行变频处理，并将其中的信号噪声滤除，将有效信号放大.

需要采集的信息包括位置信息、星历信息、时间信息及速度信息等.通过核心单片机芯片AT89V651对采集的数据信息进行计算，完成为煤炭运输车导航的服务.整个GPS数据采集和处理模块的结构如图1所示.

2.3软件设计

硬件设计只是GPS数据采集和处理模块的底层部分，还需要在硬件设计完成的基础上再完成软件设计部分.软件部分的作用是完成整个硬件芯片和组件的协调工作，实现数据的采集处理，在接收模块中实现GPS信号的接收、车速脉冲的计算、陀螺信号A/D转换后的信息处理工作以及A/D转换器的开启与信息采集的协调控制，具体流程如图2所示.

图1 GPS数据采集的硬件结构图Fig.1 GPS data acquisition hardware structure diagram

图2 GPS数据采集软件流程图Fig.2 GPS data acquisition software flow chart

从图2可以看出，具体的数据采集流程为先上电启动数据采集和处理模块，对串口进行初始化，从预设串口接收数据，判断是否为有效帧，如果有效，将接收到的串口数据存放在数据段1中.然后，从陀螺仪和ADC0804芯片中分别采集GPS信号和车速数据，分别存储到数据段2和数据段3中.最后，将3个数据段中的数据进行封装并传送到煤炭运输处的车载导航仪，数据采集和处理工作完成.

3 结语

本导航系统的GPS数据采集和处理方案是针对煤炭运输车的物流导航而提出的.该方案主要针对煤炭运输车的物流特点和GPS数据采集与处理的原则，利用单片机通信及计算功能对传感器所接收到的信号进行采集，通过一定的标准进行处理和发送.本系统采用AT89C51单片机作为整个系统的核心，完全满足了导航系统的设计要求，在保证稳定性和可靠性的同时降低了成本，具有良好的经济价值和社会价值.

[1] 曹晓航.GPS车载导航系统技术趋势浅析[J].现代测绘,2006(1):14-17.

[2] 张飞舟,范跃祖,孙先仿.车辆组合导航定位技术[J].系统工程与电子技术,2000(6):32-35.

[3] 王洋.基于学习路径导航系统的网络学习优化研究[J].煤炭技术,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

蒋威(1976-)，男，河南永城人，讲师，主要从事电子电路和测控仪表的研究.

TN709

A

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