无线通信在智能交通系统中的应用与研究 精品.docx

1、无线通信在智能交通系统中的应用与研究 精品毕业设计（论文）题 目无线通信在智能交通系统中的应用与研究 系 （院）专 业班 级学生姓名学 号指导教师职 称二一三年六月九日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二 年 月 日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（

2、论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二 年 月 日无线通信在智能交通中的应用与研究摘 要近几十年来，随着我国城市经济水平的不断提高和城市化的推进，城市人口激增，但是，道路的建设远远低于城市车辆数量的增长，由于城市空间和资源的限制，交通管理效率低下，城市道路拥挤，道路建设就显得越发重要，特别是智能交通的规划和建设，政策鼓励公

3、民乘坐公交出行，运用无线通信技术对城市公交进行智能管理，解决公交管理低下、公交车辆拥挤现象。智能交通系统是为了提高交通运输效率，充分利用道路空间，改善道路交通现状。依据我国实际的道路状况，提出利用3G网络，GPS网络和互联网等多种现代通信技术相结合的方案，本文提出了城市公交智能监控的设计方案，设计实现了城市公交车经纬度信息的采集和自动报站功能，并对该系统的功能的进一步的完善和发展前景进行了展望。从而为实现我国城市公交车辆的智能化管理开辟了一条探索之路。关键词：智能交通；GPS；3G；Linux；套接字Application and research of wireless communicat

4、ion in the intelligent transportation AbstractIn recent decades, as Chinas increasing levels of urban economy and urbanization, urban population growth, however, the growth in urban road is much lower than in the number of vehicles.Due to the constraints of urban space and resource, traffic manageme

5、nt efficiency is poor, urban road is congestion, road construction becomes more and more important, especially in the planning and construction of intelligent transportation. policies to encourage citizens to take the bus trip, the use of wireless communication technology in intelligent management o

6、f urban public transport intend to solve the low traffic management and the crowding buses.Intelligent transportation system is to improve transportation efficiency and make full use of road space, improve road traffic status quo. According to Chinas actual road conditions, make use of 3G networks,

7、GPS networks and the Internet and other modern communication technology programs combining, this paper presents the design of urban bus intelligent monitoring solutions designed to achieve a city bus latitude and longitude information collection and automatic newspaper stand features and functionali

8、ty of the system for further improvement and development prospect. So as to achieve our intelligent management of urban public transport vehicles has opened up a path of exploration.Key words：ITS；GPS；3G；Linux；Socket目 录第一章 绪论 11.1智能交通系统中无线通信技术的发展趋势 11.1.1智能交通系统概念 11.1.2 智能交通系统中无线通信技术的发展 11.2 国内外研究现状及

9、研究意义 21.2.1 国外研究现状 21.2.2 智能交通系统研究的目的及意义 21.3 课题的研究内容和目标 31.3.1 研究内容 31.3.2 课题章节安排 31.4本章小结 3第二章 GPS与3G技术 42.1 GPS组成及其定位原理 42.1.1 GPS组成及其定位原理 42.1.2 DGPS定位原理和分类 52.2 3G技术 72.2.1 3G概述 72.2.2 3G发展历程 72.2.3 基于3G的通信结构、协议及数据流程 82.3本章小结 11第三章 智能公交监控系统的总体设计方案 123.1系统需求分析及其总体设计目标 123.2硬件系统的总体设计方案 133.2.1系统的

10、硬件电路组成 133.2.2 各部分的组成和作用 143.3 软件系统的总体设计方案 143.3.1 软件总体功能分析 143.3.2 系统软件组成 153.3.3 系统的数据流传输过程 163.4本章小结 16第四章 智能公交监控系统的硬件电路设计 174.1 车载端硬件系统的总体结构 174.2 GPS模块的硬件电路设计 184.3 监控终端主控单元的硬件电路设计 194.3.1 S3C2440核心模块的特点 194.3.2 S3C2440的接口电路 214.4 3G模块的硬件电路设计 214.4.1 MC8630的特点及其组成 224.4.2 3G模块的UIM卡电路设计 234.5本章小

11、结 23第五章 智能交通系统的软件设计 245.1 嵌入式操作系统的选择 245.2 嵌入式linux系统的基本结构 265.3 Linux操作系统的移植 265.4 网络层的TCP/UDP套接字程序设计 275.4.1 TCP/UDP协议对比 275.4.2 套接字概述 285.4.3套接字编程 295.5 TCP客户端程序设计 32第六章 总结与展望 336.1总结 336.2 展望 33参考文献 34谢辞 35第一章 绪论1.1智能交通系统中无线通信技术的发展趋势1.1.1智能交通系统概念随着我国城市化进程的加快，城市的人口和车辆的数量逐年递增，但是城市道路的发展远远低于车辆数量的增长，

12、由于城市空间和资源的限制，交通管理效率低下，城市道路拥挤，道路建设就显得越发重要，特别是智能交通的规划和建设。智能交通系统（Intelligent Transportation System）简称ITS，将计算机、数据通信、人工智能、传感器等技术综合运用于道路车辆运营、服务控制等领域，加强车辆、道路管理人员、使用者之间的联系，建设一种高效、准确的综合运输系统。1.1.2 智能交通系统中无线通信技术的发展在近几年，随着通信技术的发展，3G牌照的发放，智能手机的兴起，无线通信网络提供的业务正在从以语音为主、数据传输为辅转化到以数据传输为主语音为辅，变得越来越智能化、数字化、全球化。先进的数据传输技

13、术、通信技术在智能交通系统的信息采集、处理中起到了重要作用。智能交通系统建立在先进的无线通信技术上，车辆、行人都移动之中的，所以无线移动通信技术已经成为智能交通系统的重要组成。在很多国家，GPS、3G、CDMA、3G等无线通信技术相互结合，已经开始应用于智能交通系统领域，这种融合技术可以实现交通管理中的紧急事件处理和紧急车辆管理功能，出行车辆的道路诱导和导航服务，以及运营管理中心的车辆监控、调度功能。 智能交通系统建设包括三部分内容： (1)面向交通管理者的信息发布。目的是为工作在监控中心的人员提供实时的信息，常用的媒介是监控中心的大屏幕和电视，同时也通过网络和专用电台的方式向交警及交通运输调

14、度部门发送信息。 (2)面向司机们的信息。常用的媒介是LED信息板、城市广播、LED限速版等，向司机朋友提供实时的路况信息。 (3)面向社会公众的信息平台。主要通过网络、广播电台、电视台向社会发布最新交通信息，为出行者选择合适的出行方式和线路提供更多的信息。这些信息系统之间的通信须依靠快速、稳定、高效的通信链路实现，依靠传统的交通寻呼台方式、数字集群通信方式和蜂窝数字分组传输方式是不能够实现的。所以，必须利用现有的专用短距离无线通信、GSM、3G、CDMA等方式来实现。11.2 国内外研究现状及研究意义1.2.1 国外研究现状近几年机动车辆数量的迅猛增长，给城市道路交通带来了很大的压力。智能交

15、通系统的发展为这一问题的处理带来了希望，但是，这一系统的构建并不是一朝一夕可以完成的，欧美和日本等国已经开始研究，但仍处于探索阶段，我国更是如此，从车辆定位监控系统的起步到现在的实验车的初步运行，无线通信技术得到了不同程度的应用与发展。本课题在现有无线通信技术发展现状的情况下，结合我国移动通信网络的基础，提出了以GPS、3G、CDMA等通信技术为基础的城市智能公交管理系统。1.2.2 智能交通系统研究的目的及意义随着地球上人类数量的不断增多，地球上的资源变得越来越少，环境污染越来越严重，各个国家都在采取不同的措施，合理开发利用本国资源，研发新能源，保护环境。近几年车辆的迅猛发展，给人们的生活带

16、来很大的方便，同时也给环境带来了很大的压力，因此我国鼓励市民绿色出行，尽量少开私家车，乘坐公交车或地铁或骑自行车上下班。这时候一套科学合理的公交车监控管理系统就显得很重要，高效准时的公交运营、低成本的运营成本才能吸引广大市民乘坐公交。本公交管理系统欲达到的效果：一是站点自动报站，利用GPS定位技术和3G通信技术，实现车辆经纬度的采集实现自动报站，并且把信息发送给车辆监控中心。二是车上视频监控，先进的3G技术可以提供高达3Mbit/s的下载速率和1Mbit/s的上传速率。向车辆监控中心发送实时的公交车中的视频影像，可以及时的发现车辆上紧急情况、司机的不规范操作、乘客的逃票行为。这种先进的公共交通

17、监控管理系统具有很多长处：对乘客而言，由于提高了车辆运行的准时性、缩短乘客候车时间，从而增加了公交的吸引力和车辆的载客量，对城市整体的发展产生很大的社会和经济效益。另一方面，可以提高公交部门的服务质量和企业形象，实现公交运营管理、调度的智能化和现代化。从而成为交通系统建设中继高速公路电子收费和车辆自动导航系统后，又一重要领域的探索和实践，同时为3G技术在交通领域的进一步发展应用奠定基础。21.3 课题的研究内容和目标1.3.1 研究内容本文对智能交通系统中用到的通信技术进行分析研究，对比不同通信方式的优缺点，选用以3G通信方式为基础的GPS车辆定位监控系统的解决方案，并对系统中用到的3G技术和

18、GPS技术的原理进行了分析说明。根据监控方案的需求选择经济适用的3G、GPS模块和控制模块，并对各模块的功能原理和接口进行介绍。软件设计主要包括嵌入式系统的选择、TCP套接字的设计。1.3.2 课题章节安排本文主要有四部分组成：(1)理论部分：包括绪论，GPS和3G技术原理，监控系统总体设计。(2)硬件电路部分：GPS模块、3G模块，主控单元模块(3)软件设计部分：车载终端、监控中心的软件设计。(4)总结与展望：对设计进行总结和展望。1.4本章小结 本章主要对研究课题的发展状况和背景进行概括总结，并对课题研究的必要性进行了说明。同时对研究课题的内容和目标进行了概括性的总结。第二章 GPS与3G

19、技术该设计系统主要用到的模块包括GPS定位模块和CDMA2000通信模块。下面对定位系统和通信系统的工作组成、原理和特点进行详细阐述。 2.1 GPS组成及其定位原理 2.1.1 GPS组成及其定位原理 GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表两万多千米的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面有4颗卫星），轨道倾角为55。在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，卫星中可以预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。32.1.1.1 GPS的系统组成 GPS系统通常由三个独立的部分组

20、成： (1)空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。 (2)用户设备部分：如车载终端。该部分用于接收GPS卫星发射信号，以获得定位信息，完成导航和定位工作。 (3)地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。2.1.1.2 GPS的定位原理 GPS定位的基本原理是把高速运动的卫星瞬时位置作为起始数据，利用空间距离交会的方法，确定测点的位置。如图所示：如果T时刻放置GPS接收机在地面待测点，可以测定信号传播到接收机的时间t，可以确定四个方程式：上述四个方程式中测试点的坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c*ti (i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星

21、1、2、3、4与接收机的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、2、3、4的信号传播到接收机需要的时间。C是GPS信号传播的速度。（等于光速）四个方程中各个参数意义如下： x，y，z：待测点的坐标。 xi，yi，zi (i=l，2，3，4)：由卫星导航电文求得的卫星1、2、3、4在t时刻的空间位置坐标。 Vti(i=l，2，3，4)：由卫星星历提供的卫星1，2，3，4的卫星的钟差。 Vto：接收机的钟差。 由以上四个方程式即可以计算出接收机的钟差Vto和测试点的坐标x，y，z。42.1.2 DGPS定位原理和分类 2.1.2.1 DGPS的定位原理DGPS是英文Difference

22、Global Positioning System的缩写，即差分全球定位系统，方法是在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。该差值通常称为PRC（伪距离修正值），基准站将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度。DGPS是克服SA的不利影响，提高GPS定位精度的有效手段，可达到级及以上精度。DGPS一般可分为单基站DGPS、多基准站区域DGPS、广域DGPS和全球DGPS，全球DGPS正在酝酿中。2.1.2.2 DGPS的分类 根据发送信息方式的不同，差分GPS分为两大类：位置差分和距离差分。距离差分又分为两类：载波相位差分和伪

23、距差分。工作原理是一样的，都是从基准站发送改正数，用户接收后经过修改后，就获得准确定位的结果。不同的是，改正数的内容变了，定位的精度也不相同。下面对三种定位系统原理分别介绍。51.位置差分原理 这是一种很简单的差分方法，用任何一种GPS接收机都可以改装或组成这种系统。GPS接收机观测4颗卫星的位置后便可进行三维定位，智能算出基准站的位置坐标。由于存在着时钟误差、轨道误差、大气影响、SA影响、多径效应等其它误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是有偏差的。基准站利用数据链将改正值发送出去，用户站接收并对用户站坐标值进行修正。 X=X0-Xl； Y=Y0-Y1； Z=Z0-Zl其中: X0，Y0，Z

24、0：实测的坐标； X1，Yl，Z1：其它方法求得的基准站精确坐标； X，Y，Z：基准站点的经纬度坐标修正值。 由该修正值，可用下式表示推算出车辆所在的实际坐标。 X=X2+X；Y=Y2+Y：Z=Z2+Z；其中 X，Y，Z：修正之后车辆所在位置的经纬度坐标。 X2，Y2，Z2：车载GPS接收机得到的实际测量坐标。 经计算得到的坐标已消去了用户站和基准站之间的误差，这些误差是由SA影响、卫星轨道误差、大气影响等造成的，从而提高了定位的精确度。差分技术实现定位精确的前提条件是用户站和基准站观测同一组卫星。位置差分定位技术适用范围是用户与基准站间的距离在100km以内。2.伪距差分原理 应用最广的一种

25、差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再由测得的伪距，算出伪距改正数，将其传输到车辆接收机，以提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”63.载波相位差分原理 载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。72.2 3G技术 2.2.1 3G概述第三代移动通信技术（3rd-generation，3

26、G），指支持高速数据传输的移动通信技术。3G服务能同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通讯与互联网等多媒体技术结合的新一代移动通信系统，目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WIMAX。3G与2G的主要区别是在传输声音质量和数据的速度上的提升，它能在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理音乐、图像、视频流等多种媒体形式，提供包括电话会议、网页浏览、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与2G的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特/每秒）

27、、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化）。2.2.2 3G发展历程 3G网络是由GSM/3G网络的基础上发展演变形成的，GSM/3G核心网演进的方向是：GSM核心网演进为3G CS域，3G核心网演进为3G PS域。在演进的过程中，既要考虑充分利用现网资源，实现网络平滑演进，又不能影响业务运行和业务质量。GSM/3G向3G的演进可以分为三个阶段：第一阶段：3G建设初期，新建3G网络，即电路域新建MSC Server、MGW，分组域新建SGSN，此外共用2G的GMSC、GGSN和其他分组域设备。第二阶段：3G发展中期，2G、3G共用核心网，升级2

28、G的部分MSC为MSC Server，GPRS SGSN为3G SGSN，支持3G用户的接入；同时可以通过3G设备的A接口和Gb接口将部分2G BSS接入3G核心网。这个阶段，随着3G用户数量的增加，2G网络会出现余量，可以将具备升级条件的2G设备升级，降低资源消耗，提高网络效率。第三阶段：3G发展后期，无法升级的2G 移动交换中心、GPRS接口服务器逐步退网，形成统一的3G核心网。这个阶段，3G无线覆盖趋于完善，2G用户数逐渐变少，核心网不需要提供对2G无线接入网的支持，可以逐步淘汰无法升级的设备，双接入设备也无须再支持2G无线网的接入。82.2.3 基于3G的通信结构、协议及数据流程 根据

29、无线接口技术的不同，现有3G技术可以分为联通的WCDMA技术，电信的CDMA2000技术和移动的TD-SCDMA技术。考虑到传输带宽、网络稳定性、实用性等因素，本系统采用电信CDMA2000作为无线网络传输。2.2.3.1 CDMA2000简介CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95）技术研发发展而来的，是一种宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、三星和Lucent都有参与，韩国成为该标准的主导者。这套系统可以从原来的CDMAONE结构直接升级到3G结构，建设成本低廉。2.2.3.2 CDMA2000网络结构组成cd

30、ma2000-1X网络主要有BTS、BSC和PCF、PDSN等节点组成。系统结构如图2.1所示:图2.1 基于ANSI-41核心网的系统结构其中：BTS - 基站收发机PCF - 分组控制BSC - 基站控制器PDSN - 分组数据服务器 SDU - 业务数据单元 MSC/VLR - 移动交换中心/访问寄存器BSCC- 基站控制器由图可见，与IS-95相比，核心网中的PCF和PDSN是两个新增模块，通过支持移动IP协议的A10、A11接口互联，可以支持分组数据业务传输。而以MSC/VLR为核心的网络部份，支持话音和增强的电路交换型数据业务，与IS-95一样，MSC/VLR与HLR/AC之间的接

31、口基于ANSI-41协议。9图中，- BTS在小区建立无线覆盖区用于移动台通信，移动台可以是IS-95或cdma2000-1X制式手机。- BSC可对对个BTS进行控制；- Abis接口用于BTS和BSC之间连接；- A1接口用于传输MSC与BSC之间的信令信息；- A2接口用于传输MSB与BSC之间的话音信息；- A3接口用于传输BSC与SDU(交换数据单元模块)之间的用户话务(包括语音和数据)和信令；- A7接口用于传输BSC之间的信令，支持BSC之间的软切换。以上节点与接口与IS-95系统需求相同。cdma2000-1X新增接口为：- A8接口：传输BS和PCF之间的用户业务；- A9接口：传输BS和PCF之间的信令信息；- A10接口：传输PCF和PDSN之间的用户业务；- A11接口：传输PCF和PDSN之间的信令信息；A10/A11接口是无线接入网和分组核心网之间的开放接口。- 新增节点PCF(分组控制单元)是新增功能实体，用于转发无线子系统和PDSN