羅 成，陳淑榮，劇 季

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

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基于GPRS傳輸?shù)能囕v遠(yuǎn)程監(jiān)控及行駛軌跡優(yōu)化*

羅 成，陳淑榮，劇 季

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

為了遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理行駛的車輛，提高車輛運(yùn)行效率，保障車輛駕駛安全，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了基于C/S架構(gòu)的車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)GPS車輛定位數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。詳細(xì)說明了數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理的過程，在客戶端調(diào)用百度地圖，并實時顯示車輛位置和行駛軌跡。針對地圖中車輛彎道行駛折線軌跡的問題，引入了二次B樣條擬合算法，對車輛行駛軌跡進(jìn)行有效擬合，改善折線軌跡的缺陷，反映車輛真實運(yùn)動曲線。監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，實現(xiàn)了實時顯示車輛地理位置、精確跟蹤的效果，達(dá)到了優(yōu)化車輛折線軌跡的目的。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPRS；車輛定位；二次B樣條；軌跡優(yōu)化

0 引言

當(dāng)前，利用無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控行駛中的運(yùn)行設(shè)備已成為一種趨勢。對比GSM、GPRS、3G三種無線通信網(wǎng)絡(luò)，GPRS比GSM傳輸速度更快，比3G覆蓋面積更大，能滿足車輛遠(yuǎn)程信息傳輸[1-2]。通過在車輛、移動機(jī)器人、飛行器、船舶上安裝GPS、GPRS模塊，實時檢測運(yùn)行設(shè)備的位置信息，能方便地對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。

文獻(xiàn)[3]研究了無人駕駛智能車的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將GPS定位數(shù)據(jù)與計算機(jī)系統(tǒng)的GIS地圖進(jìn)行匹配，通過MapX圖層抽象形成電子地圖，實現(xiàn)位置監(jiān)控。文獻(xiàn)[4]研究了基于百度地圖定位的車輛監(jiān)控系統(tǒng)，在地圖上進(jìn)行定位，畫出行駛軌跡。對比兩種電子地圖定位效果，百度地圖具有地圖展現(xiàn)、路線規(guī)劃、周邊檢索等優(yōu)勢，直接調(diào)用API接口，開發(fā)簡單。但大多數(shù)地圖定位中，車輛行駛路線顯示的是折線軌跡，缺少精度，未能充分反映車輛真實的行駛狀態(tài)。

本文利用C/S架構(gòu)，實現(xiàn)了車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)并對其行駛軌跡進(jìn)行優(yōu)化。通過GPS技術(shù)獲取車輛定位數(shù)據(jù)，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將車輛定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)保存和處理后，客戶端調(diào)用百度地圖并顯示車輛的位置；引入二次B樣條擬合算法[5]，通過處理傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)點(diǎn)，對折線軌跡進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到精確擬合車輛的行駛軌跡，實現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1 車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個監(jiān)控系統(tǒng)分為3個部分：車載檢測部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分，如圖1所示。其中車載檢測部分為硬件底層，包括GPS模塊、MC9S12X單片機(jī)、GPRS模塊和試驗車輛。GPS模塊接收車輛定位數(shù)據(jù)，上傳至12X單片機(jī)，利用AT指令控制GPRS模塊，通過GPRS信道和TCP/IP通信協(xié)議將接收數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。遠(yuǎn)程監(jiān)控部分基于C/S架構(gòu)，由服務(wù)器、客戶端和SQL Server后臺數(shù)據(jù)庫組成，實現(xiàn)實時管理車輛位置信息和軌跡跟蹤，對車輛進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

如圖2所示，服務(wù)器主要實現(xiàn)接收GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)保存，與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能；客戶端作為監(jiān)控窗口，對服務(wù)器傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行處理及保存，實現(xiàn)車輛實時定位、軌跡跟蹤和B樣條軌跡優(yōu)化等功能。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能圖

GPRS模塊根據(jù)TCP協(xié)議實現(xiàn)與服務(wù)器交互，客戶端通過Socket方式請求連接服務(wù)器[6]，接收車輛的原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的百度地圖格式數(shù)據(jù)，標(biāo)注在地圖中，實現(xiàn)車輛實時定位和軌跡跟蹤。在地圖中需引入二次B樣條算法，擬合車輛折線軌跡，反映車輛真實行駛路線。

2 數(shù)據(jù)傳輸過程

數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示，包含三部分：GPS模塊接收車輛定位數(shù)據(jù)；GPRS上傳定位數(shù)據(jù)至服務(wù)器；客戶端通過Socket方式與服務(wù)器通信。

GPRS網(wǎng)絡(luò)硬件基于SIM900A系列模塊，包括電源接口、串行接口和SIM卡槽接口。通過設(shè)置TCP/IP協(xié)議棧，單片機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令控制SIM900A模塊，將車輛定位數(shù)據(jù)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器上，實現(xiàn)車輛定位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

遠(yuǎn)程監(jiān)控部分基于VB軟件平臺，采用C/S交互模式。如圖3所示，服務(wù)器和客戶端分別設(shè)置初始端口號和固定IP，服務(wù)器始終等待客戶端連接請求，當(dāng)通過sckListen.Listen方法監(jiān)聽到連接請求時，觸發(fā)服務(wù)器的sckListen_ConnectionRequest事件。當(dāng)服務(wù)器與客戶端Socket連接建立后，服務(wù)器采用sckServer(Index).GetData方法接收GPRS上傳的車輛原始定位數(shù)據(jù)，調(diào)用sckServer(Index).SendData方法實現(xiàn)與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)客戶端接收到服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，對原始GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)成百度地圖的坐標(biāo)系格式，保存到本地數(shù)據(jù)庫中。

圖3 服務(wù)器客戶端Socket通信

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 車輛實時定位顯示

客戶端調(diào)用百度地圖API[7]，主要包括兩個關(guān)鍵點(diǎn)，即車輛定位數(shù)據(jù)標(biāo)注到百度地圖上和解決百度地圖中大量信息數(shù)據(jù)造成內(nèi)存溢出的問題。VB通過WebBrowser控件連接百度地圖網(wǎng)頁，實現(xiàn)車輛定位數(shù)據(jù)傳輸至地圖，處理過程如下：

(1)連接百度地圖

WebBrowser.NavigateApp.Path& "Baidumap.html"

(2)將經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)加載到地圖中

WebBrowser.Document.parentWindow.execScript "labellong = """ &longitude&"""","javascript"http://經(jīng)度加載

WebBrowser.Document.parentWindow.execScript "labellat = """ &latitude& """", "javascript"http://緯度加載

(3)將GPS坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為百度地圖坐標(biāo)系

WebBrowser.Document.parentWindow.execScript"BMap.Convertor.translate(newBMap.Point(labellong,labellat),0,translateCallback)", "javascript"

由于行駛車輛的位置信息不斷更新，監(jiān)控系統(tǒng)需處理大量實時定位數(shù)據(jù)并在地圖中標(biāo)注車輛位置，需要對實時接收的大量數(shù)據(jù)設(shè)計合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果采取數(shù)組方式存儲這些數(shù)據(jù)，容易造成內(nèi)存溢出。設(shè)計中采用隊列的存儲結(jié)構(gòu)，按照“先進(jìn)先出”的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問處理。為保證繪制車輛運(yùn)行軌跡的實時性，采用了長度為2的數(shù)組，使用百度地圖中BMap.Polyline方法遍歷數(shù)組中的點(diǎn)繪制軌跡。當(dāng)?shù)谝粋€點(diǎn)傳入數(shù)組，進(jìn)行百度地圖定位，第二個點(diǎn)傳入數(shù)組開始畫軌跡。之后每傳入一個點(diǎn)，就將前一個點(diǎn)清除，始終保持?jǐn)?shù)組中兩個點(diǎn)，可消除軌跡繪制中內(nèi)存溢出的問題。

3.2 二次B樣條算法及車輛軌跡優(yōu)化

車輛在彎道行駛中，當(dāng)速度過大時，兩點(diǎn)的定位距離拉大。百度地圖BMap.Polyline方法繪制出兩點(diǎn)直線，出現(xiàn)明顯的折線軌跡，不能真實反映車輛運(yùn)動的曲線軌跡。因此，引入了二次B樣條算法，對折線軌跡進(jìn)行實時優(yōu)化。

3.2.1 B樣條算法原理

B樣條曲線由一組控制頂點(diǎn)確定，按順序連接形成控制多邊形，B樣條曲線逼近擬合多邊形，通過確定控制點(diǎn)的位置，可以控制曲線的形狀[8]。B樣條數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

其中，k=0，1，…，m，表示為第k段n次B樣條曲線段，全體曲線段稱為n次B樣條曲線；Pi+k表示第k段曲線的第i個控制點(diǎn)。其中，基函數(shù)定義為：

(2)

t∈[0,1],i=0,1,2…,n

令n=2，則二次B樣條曲線的基函數(shù)如下：

(3)

根據(jù)模擬車輛在彎道行駛的過程，如圖4所示，6個控制頂點(diǎn)相連接形成原始折線軌跡，為了選取合適的B樣條算法更真實地擬合車輛實時運(yùn)行軌跡，實驗中分別采用了二次B樣條和三次B樣條進(jìn)行擬合。在引入二次B樣條算法后，6個頂點(diǎn)分別控制生成了4段二次B樣條曲線段。圖中，每條曲線段由相鄰的3個頂點(diǎn)控制，分別與對應(yīng)的折線段相切。而三次B樣條曲線由相鄰的4個頂點(diǎn)控制，6個頂點(diǎn)分別形成3段曲線段。與二次B樣條相比，相同控制頂點(diǎn)生成的曲線段不同，擬合出的軌跡精度存在差距，可見，二次B樣條擬合更準(zhǔn)確，更貼近原始折線軌跡。因此，設(shè)計中選用二次B樣條算法，在百度地圖中對車輛的行駛軌跡進(jìn)行實時優(yōu)化。

圖4 二次和三次B樣條曲線擬合對比圖

3.2.2 二次B樣條地圖軌跡優(yōu)化效果

在百度地圖軌跡優(yōu)化中，二次B樣條算法生成的曲線段由無數(shù)個點(diǎn)組成，通過合理控制B樣條公式中參數(shù)t循環(huán)的步長，選取step為1/10，每條曲線段擬合出10個點(diǎn)。如圖5所示，6個控制頂點(diǎn)形成4條曲線段，生成40個擬合點(diǎn)。

圖5 二次B樣條軌跡擬合效果

在監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端，二次B樣條對輸入的經(jīng)緯度點(diǎn)進(jìn)行處理：

P(i+1,0)+(t2)×P(i+2,0)]

(4)

P(i+1,1)+(t2)×P(i+2,1)]

(5)

其中，P(i,0)、P(i+1,0)、P(i+2,0)是二維數(shù)組中的3個控制頂點(diǎn)，也表示原始數(shù)據(jù)的3個經(jīng)緯度點(diǎn)；lon和lat分別為二次B樣條處理后的經(jīng)緯度點(diǎn)。num為所有控制頂點(diǎn)數(shù)。

圖6 二次B樣條軌跡優(yōu)化流程

二次B樣條算法對軌跡優(yōu)化的流程如圖6所示，首先初始化二次B樣條公式中的參數(shù)t、i、num，控制t的范圍在[0,1]。讀入經(jīng)緯度數(shù)據(jù)點(diǎn)后，判斷控制點(diǎn)個數(shù)num大小。因二次B樣條曲線需要3個頂點(diǎn)控制生成，當(dāng)num=3時，形成3個控制點(diǎn)，第一次進(jìn)入B樣條處理公式。num>3時，根據(jù)B樣條局部性質(zhì)可知，改動其中一個控制頂點(diǎn)，只會對相鄰下一段曲線產(chǎn)生影響[9]。因此，客戶端每輸入一個控制點(diǎn)(經(jīng)緯度點(diǎn))，經(jīng)二次B樣條算法處理后，產(chǎn)生10個擬合點(diǎn)，比原始的控制頂點(diǎn)密集。將擬合點(diǎn)標(biāo)注在百度地圖上，修正折線軌跡，使擬合生成的軌跡曲線能更貼切地反映車輛行駛的真實路線。

4 實驗結(jié)果及性能分析

針對上述系統(tǒng)方案和功能要求，在實現(xiàn)了車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后，對車輛實時定位和軌跡優(yōu)化進(jìn)行了性能測試。其中GPRS傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置為9 600，GPS數(shù)據(jù)更新率為1 Hz。

實驗結(jié)果顯示，車輛行駛過程中，GPS能實時記錄車輛位置信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后傳輸至客戶端，進(jìn)行經(jīng)緯度糾偏處理，在百度地圖上精確定位車輛位置并實時繪制行駛軌跡。圖7顯示了百度地圖上車輛在校園中的行駛軌跡。經(jīng)多次反復(fù)測試，車輛定位誤差較小，實時定位效果較真實地反映了車輛行駛路線。

圖7 車輛實時行駛軌跡圖

圖8顯示了百度地圖中車輛的原始運(yùn)行軌跡，在彎道行駛中折線軌跡明顯，不能精確地描述車輛運(yùn)行的真實路線。圖9引入二次B樣條算法，在彎道行駛過程中對原始的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，對折線軌跡進(jìn)行擬合，實時優(yōu)化了車輛行駛軌跡，使得運(yùn)行軌跡變得圓滑，較真實地擬合了車輛的運(yùn)動曲線，有效地解決了車輛在彎道行駛中的折線問題。

圖8 未加入B樣條的軌跡圖

圖9 加入二次B樣條的軌跡優(yōu)化圖

5 結(jié)論

基于GPRS無線通信實現(xiàn)了車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，定位數(shù)據(jù)成功從車載檢驗部分傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控部分，在客戶端引入二次B樣條算法優(yōu)化地圖的折線軌跡，并在百度地圖上實時擬合顯示了車輛的真實行駛路線。優(yōu)化后的監(jiān)控系統(tǒng)可運(yùn)用在車輛遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、無人車軌跡規(guī)劃、機(jī)器人軌跡跟蹤等諸多方面。

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Vehicle remote monitoring and the optimization of driving trajectory based on transmission of GPRS

Luo Cheng, Chen Shurong, Ju Ji

(School of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In order to monitor and manage the moving vehicles, improve the driving efficiency and ensure the safety of vehicle, the remote monitoring system based on C/S structure is designed by using GPRS network. Vehicle location data of GPS is transmitted to the server through the wireless network. In this paper, the process of data transmission and data processing is explained in detail. Baidu map which is called by the client, displays the vehicle position and track in real time. According to the problem of polyline of vehicle in the map, the quadratic B-spline algorithm is introduced to fit the vehicle trajectory effectively, which improved the defect of polyline and reflected the true motion curve of vehicle. The monitoring system transmits data stability, which has reached satisfied results of displaying of the vehicle location, accurately track and achieved the goal of optimizing the polyline of vehicle.

remote monitoring; GPRS; vehicle location; quadratic B-spline; trajectory optimization

國家自然科學(xué)基金(51505276)

TP277

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.018

羅成，陳淑榮，劇季.基于GPRS傳輸?shù)能囕v遠(yuǎn)程監(jiān)控及行駛軌跡優(yōu)化[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：60-63.

2017-01-08)

羅成(1992-)，男，碩士，主要研究方向：車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及圖像處理。

陳淑榮(1972-)，女，副教授，主要研究方向：視頻分析與處理，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)及控制技術(shù)。

劇季(1992-)，男，碩士，主要研究方向：車輛制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究。