車輛監控系統整合GPS和GPRS之研究與實現

全文

(1)國立臺灣師範大學機電科技學系碩士論文. 指導教授：葉榮木博士邱炳樟博士. 車輛監控系統整合 GPS 和 GPRS 之研究與實現 Research and Implementation of The Vehicle Control System Combined with GPS and GPRS. 研究生：陳誠鈺. 撰. 中華民國 95 年 7 月.

(2) 國立臺灣師範大學機電科技學系. 碩士論文車輛監控系統整合. 八月二十八日星期一年. 書背. 和 GPS. 之研究與實現 GPRS. 陳誠鈺撰. 中華民國九十五年.

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(5) 致謝在這兩年的研究所生涯中，首先我要感謝指導老師葉榮木教授及邱炳樟教授的用心指導，在老師的指正與教導之下，使得我得以順利完成此篇論文，老師在求學治學的方法與待人處事的態度也都讓我獲益良多。另外，也感謝學長津超、溥鑫、賴科位、大楷、阮明輝、小白，在我遇到問題時的解惑與建議，讓我得以解決每次的難題。最後感謝口試委員徐敬文教授提供寶貴的意見，使得本篇論文更甄完整。其次，感謝人工智慧實驗室的同學宗岳、柏智、則謙，影像處理實驗室的同學宏洺、國維、家揚、士軒以及學弟妹們盛均、誌仁、偉力、智仰、安邦、琪琪、阿傑、義霖、嘉宏、在我課業上與生活上的幫助。最後特別感謝我的父母親、家人以及小公主對於我的支持與鼓勵，還有我在天上的爺爺(大家都很想你希望你過的好)，謝謝你們！僅以此篇論文獻給所有關心我、照顧我的朋友們。陳誠鈺 2006.8.28.

(6) 摘要本文為以ARM 7為核心整合GPS receiver與GSM/GPRS module之嵌入式車輛監控系統設計。本文將GPS與GPRS做結合，將此ARM 7嵌入式平台安置在車輛上，並配合監控台的電子地圖，如此不只可以將車輛目前所在地的位置，展現在電子地圖上。當發生緊急狀況時，也能在第一時間將GPS所接收到的最新地理位置透過GPRS上傳到網路上，將資訊回傳到監控台，並設計出提供多人同時線上車輛監控和錄音等功能的監控端。經過模擬驗證，吾人發現確實能夠即時的正確運作，而回傳的資料也能夠正確的顯示在電子地圖上，進而達到車輛監控的目的。. 關鍵詞：GPS、GPRS、嵌入式系統設計. I.

(7) Abstract This paper discusses the implementation of the ARM 7 core as the basis for combining GPS receiver and GSM/GPRS module. GPS and GPRS are combined and this embedded system of the ARM 7 core is installed on the vehicle. Via linkage of the system through the internet, the location of the vehicle can be seen on an electronic map. In addition, if a critical situation arises, the most recent vehicle location and coordinates recorded by the GPS can be quickly sent to control system. Moreover, we design a server for multi-user to monitor and to tape-record vehicles online. Simulations results showed that the system performs consistently, and correctly shows the location of the vehicle on the electronic map.. Keywords—GPS, GPRS, embedded system design.. II.

(8) 目. 錄. 摘要………………………………………………………………….……I Abstract………………………………………………..………...………II 目錄………………………………………………………....…………..III 圖目錄………………………………………………….……...……..….V 表目錄…………………………………………………….…...….....…VII 第一章. 緒論…………………………………………….…………...…1. 1.1 研究動機………………………………………………………1 1.2 研究目的………………………………………………………1 1.3 系統簡介………………………….…………………………...3 1.4 文獻回顧………………………………………………………4 1.5 論文組織與概觀………………………………………………5 第二章. GPS 全球衛星定位系統分析………………………………...6. 2.1 GPS發展概況…………………………………………………6 2.1.1 GPS 的緣起……………………………………………6 2.1.2 GPS 的發展……………………………………………7 2.1.3 GPS 的應用……………………………………………8 2.2 GPS 系統架構………………………………………………….9 2.2.1 太空部分………………………………………………9 2.2.2 控制部分……………………………………………..11 III.

(9) 2.2.3 使用者部分…………………………………………..12 2.3 衛星訊號結構…………………………………………..……13 2.3.1 衛星信號格式…………………………………..……14 2.4 衛星定位原理……………………………………………..…16 2.4.1 GPS誤差分析………………………………….....….18 第三章. GIS 地理資訊系統發展概況…………………………..……20. 3.1 衛星座標系統與轉換…………………………………..……21 第四章. GSM/GPRS 無線行動通訊技術………………………..…..25. 4.1 GPRS 網路的發展方式………………………….………..…25 第五章. 車輛監控系統架構與移動系統的介紹…………….…….....29. 5.1 車輛監控系統的整體架構……………………………....…..29 5.2 嵌入式移動系統之硬體架構………………………….….....30 5.3 嵌入式移動系統韌體程式構成與流程……………….….....33 5.4 即時監控系統程式介紹……………………………….….....37 第六章. 操作說明與實驗結果………………………………………..40. 第七章. 結論與未來展望……………………………………………..52. 參考文獻………………………………………………………………..54. IV.

(10) 圖目錄圖 1-1 車輛監控系統架構…..……….……………...…………………….2 圖 1-2 車輛監控系統基本架構圖…………………………...…………….3 圖 2-1 全球衛星定位系統架構…...……………………………………….9 圖 2-2 衛星分布圖……...……………………………………………….10 圖 2-3 地球赤道面的傾角…..…………………..……………………….10 圖 2-4 地面控制站與衛星的示意圖…….………………………..………12 圖 2-5 GPS 接收器..……………………………….….….……....……..13 圖 2-6 衛星訊號結構…...………….………………………………….....14 圖 2-7 虛擬距離時間測量…..…………………………………………...17 圖 2-8 GPS 的誤差………………………….……………….…...……..18 圖 3-1 台灣地區 2 0 TM 座標系統……………………………………….21 圖 3-2 WGS84 橢圓座標……...…………………………….…………..21 圖 3-3 座標轉換流程…………………..………………………………...22 圖 4-1 電路交換型態………..…………………………………………...26 圖 4-2 封包交換型態……………...................................................................27 圖 4-3 GPRS 網路能同時進行電路交換與封包交換兩種傳輸方式…....28 圖 5-1 車輛管理系統之整體架構………………………..………………29 圖 5-2 嵌入式移動車載平台的架構圖……………….…………………..31 圖 5-3 ARNUX 7511 實體圖……………………………………………32 圖 5-4 BENQ M22 GSM/GPRS Module 實體圖…………………………32 圖 5-5 GPS Module 實體圖………………………………………..……33 圖 5-6 程式流程圖……………………………………………………….37 圖 5-7 主畫面程式流程圖…………....………………………………….38 圖 5-8 即時監控主畫面…………..……..……………………………….39 V.

(11) 圖 6-1 嵌入式移動車載系統實體全圖…………………………………...40 圖 6-2 Linux 主機畫面……………………………………….…………41 圖 6-3 終端機初使化程式….………………………...……….…………41 圖 6-4 回傳中繼點訊號畫面………………………………….………….42 圖 6-5 回傳終點訊號定位數據畫面……………………………..……….42 圖 6-6 緊急狀況發生時畫面一…………………………………………..43 圖 6-7 緊急狀況發生時畫面二……………………………..……………43 圖 6-8 緊急狀況解除畫面………...……………………………………..44 圖 6-9 語音通話與結束畫面……………………………………………..44 圖 6-10 Power Off 跳出執行畫面…...…..…………...……….…………45 圖 6-11 監控台處於 Listening 狀態畫面……………...…………………..45 圖 6-12 車載端透過 GPRS 登入監控台的畫面…………………….……..46 圖 6-13 監控台行車資訊紀錄……………………......…………………..46 圖 6-14 台科大的電子資訊大樓………………………………..………..47 圖 6-15 實際路測圖…………………….………………………………..47 圖 6-16 地圖顯示出發點之畫面…………………………………………48 圖 6-17 地圖顯示中繼點之畫面…………………………………………48 圖 6-18 地圖顯示中繼點之畫面…………………………………………49 圖 6-19 地圖顯示緊急狀況發生時位置之畫面…………………………..49 圖 6-20 地圖顯示終點之畫面……………………………………………50 圖 6-21 監控台多人連線測試畫面………………………………………51. VI.

(12) 表目錄表 4-1 GSM 與 GPRS 的比較……………………………………………27. VII.

(13) 第一章. 緒論. 1.1 研究動機近年來，由於網際網路的蓬勃發展，使得人類日常生活中常常和網際網路有著密切的關係。在此同時無線通訊的技術也是日新月異，行動電話的發展也逐漸的進入成熟的階段，故許多與網際網路結合的行動通訊產品也大量的出現。由於網際網路傳輸快速，且行動通訊具有高移動性、及高涵蓋性的特性，再加上 GPS 全球定位系統精準的定位，所以，車輛的即時監控系統現今已愈來愈普遍。許多先進國家相繼發展智慧型車輛系統，在其相關系統中又以全球衛星定位系統(Global Positioning System ,GPS)[1] 和地理資訊系統 (Geographic Information System , GIS) 系統發展最為進步，其包含了自動車輛定位技術(Automatic Vehicle Location , AVL)[11]以及地理資訊的提供等等。其中汽車導航系統導航的方式是將裝在汽車上的 GPS 接收器所接收的衛星定位資訊傳送到車中的電腦處理，再將座標及行徑路徑顯示在電子地圖上，其精確度必須考量衛星定位的誤差以及電子地圖的精準度。由於衛星是處在相當高的運行軌道上，其傳送的訊號是相當的微弱，因此它不像一般通訊無線電可在室內使用或收到訊號，在使用時需在室外及天空開闊度較佳之地方才能使用，否則若大部份之衛星信號被建築物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋，接收器將無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標，故 GPS 在定位應用上並不適合建構於一般個人行動電話上的定位應用。本文所設計的系統並非針對個人用途的定位，而是針對道路上車輛的定位應用，因為道路上遮蔽物較少不至於影響衛星定位功能。. 1.2 研究目的本文中的車輛即時監控管理系統的架構如圖 1 包含以 ARM 7 為核心的嵌入式移動平台、無線通訊技術、網路監控中心，即是網路與行動通訊結合 1.

(14) GPS 全球定位系統的最佳組合，其功能主要在於提供駕駛者行的安全、方便快速，並非只是侷限於汽車的動態定位，而是廣泛的包括定位與定位後的導引。在日本與歐美等先進國家已發展多年也有實際的成果展現在世人眼前，但是在台灣還是屬於剛起步的階段。因此本系統的開發必須先從定位及導航觀念為出發點，並結合地理資訊系統(GIS)才能夠達成目標。由於美國國防部所建立的全球衛星定位系統與地理資訊系統為車輛監控系統之主要基礎，因此本論文首先就GPS 及GIS 的基本理論先加以探討，再利用GPS 衛星接收器將所需的所在地地理資訊資料擷取下來，經過座標轉換的步驟，將所在地的地理位資料與電子地圖作一結合分析，形成汽車監控系統的雛形。. 圖 1-1 車輛監控系統架構本論文著重於嵌入式移動系統之實現，進而結合監控台的功能，來達成車輛監控之目標。嵌入式移動系統包含 GPS 全球衛星定位系統、GSM/GPRS 無線通訊模組、ARM 7TDMI CPU 核心處理器等三大部分，主要利用 ARM 7 進行控制，透過 GPS 衛星定位器，接收來自衛星的定位訊號，再加上車輛 ID 與車輛狀況的描述後，經由 GSM/GPRS 模組，把加工後的定位資料傳至監控台，讓管理者能隨時掌握車輛的一舉一動，並於必要時與之聯繫，了解 2.

(15) 車輛運行狀況或進行新路線的派遣，若是發生緊急狀況時，也能全程錄音、即時監控。此監控系統可應用在即時車輛管理及車輛監控上，並可將交通運輸推展至智慧運輸系統上，使得車輛使用能夠更加有效率及安全。. 1.3 系統簡介車輛監控系統的特色在於不僅能夠非常有效的掌握車輛位置狀況、即時下達指令至車載 Client 端上、經由即時監控中心即可觀測每一台車輛的行車狀況與緊急情況、而且監控系統非常大的好處在於低廉的通信費用。透過 GPS 接收器與 GPRS(General Packet Radio Service) 的無線通訊網路，可動態取得車輛所在位置資訊，即時傳遞至監控台，由監控台人員執行車輛管理監控台與路線規劃的動作，將所有派遣資訊即時傳遞至執行勤務的運送人員，依據監控台指令完成遞送工作。監控台此時扮演更重要的溝通聯繫角色，可以彙總即時路況資訊，傳遞綜合研判的行車動向指令，協助線上動態運行的車輛，獲得即時的行車指南。車輛上所裝置的嵌入式移動系統亦可依車輛運作狀況，在發生緊急事件時，於監控台可獲得最即時的數據資料。例如車輛故障之拖救服務、交通事故發生時之速度數據舉證等等。車輛監控系統之基本架構圖如圖 1-2 所示。. 圖 1-2 車輛監控系統基本架構圖[10] 3.

(16) 1.4 論文回顧 GPS 與 GIS 的發展已有相當的一段時間，無論在期刊、文獻、論文各方面都有許多的研究與探討，我們特別針對 GPS 與 GIS 結合在汽車監控部分加以提出做為研究的基礎。世界上已有許多國家早在多年前即實際的進行有關汽車導航系統開發與研究，像加拿大的 Calgary 大學所研發的 AVL2000 即為一個非常成功的例子[2]~[6]。根據相關的文獻研究，目前仍在繼續發展及改進的帶路系統共有 40 餘種之多，而且已從第一代的〝Where am I?〞獨立系統(Autonomous/Stand alone system)及第二代的〝Where are You?〞快速傳遞系統(Dispatch system)和加入了道路資訊或導引系統的第三代〝How do I get there?〞發展到現在的智慧型帶路系統[2]，[7]。由於在過去的文獻中如文獻[8]，[9]，車輛的位置透過 GPS 接收完衛星訊號之後，是藉由 GSM 的簡訊發送系統來傳送 GPS 的定位資訊，但是，由於很多因素如 GSM 基地台塞機、塞車、行動通訊模組暫時不在接收範圍內、網路傳輸品質不穩定如傳輸速度較慢、或者行動電話記憶體滿了，使得簡訊遺失，造成車輛的定位無法作一個即時的回報，因此在車輛的監控方面將會造成很大的缺失，又因發送簡訊的時間是有時間間距的，至少間距五分鐘以上，如果發生緊急狀況時，就無法立即作一個很好的處置，又因簡訊是以傳送的封數來計算，如此監控的花費將會非常大。由於 GPS 現今已經發展的非常成熟了，所以，有越來越多的導航系統會跟 GPS 來做結合如文獻[10]~[14]，以 electronic road pricing (ERP) system 電子收費系統文獻[14]來說，結合 GPS 全球衛星定位系統就是一個非常創新的想法。使用 GPS 科技來做結合，不只可以非常有效率、划算，但是，它必須透過公路上所架設固定的跨軌訊號杆，來做資訊的傳送，對於監控就比 4.

(17) 較沒有效率了，所以，本文將會針對即時的監控，以及車輛的防護安全作一個完善的改進。隨著人類追求產品的服務功能與品質的提昇要求迅速以及智慧型功能的增進，相信更進步的汽車監控系統不久將會展現於世人的面前. 1.5 論文組織及概觀本篇論文總共分為六個章節，概要分述如下：第一章：說明本論文的研究動機與目的，並對文中所用到的理論架構以及介紹作一概略性的敘述。第二章：針對整個 GPS 發展概況、系統架構、衛星訊號結構與訊號格式、定位原理、GPS 誤差分析做一個詳細的介紹。第三章：針對整個 GIS 地理資訊發展情況、電子地圖的介紹、以及衛星座標系統轉換做一個詳細的介紹。第四章：針對無線通訊 GPRS 網路的發展方式作一個詳盡的介紹第五章：介紹車輛監控系統的整體架構、嵌入式移動車載系統的硬體架構設計、嵌入式移動系統韌體程式結構與流程、以及即時監控程式與系統的介紹第六章：操作說明與實驗結果討論，說明實驗的程序，實際道路路況測試，與實際的汽車導航操作。第七章：結論與未來展望，總結本論文的研究成果並說明未來應用的方向以及其發展性。. 5.

(18) 第二章. GPS 全球衛星定位系統分析. 2.1 GPS 發展概況所謂 GPS 是全球衛星定位系統(Global Position System)簡稱,為美國國防部為軍事上定位及導航目的所發展的，GPS 可以極準確地提供七種定位所需的訊息,三度空間位置、三度空間的速度、以及時間。因為它的全天候、高準確定位的特性，不但成功地應用在現代軍事化設備上，而且在民間用途方面，也因其實用潛力雄厚而深受矚目，而 GPS 的優越性能已漸漸應用於各方面，例如：船艦及飛機的導航定位，可以在瞬間獲得位置及速度的數值；港灣內將導航及追蹤結合，以減少碰撞的可能性，增加航道安全性的管理；油井鑽勘平台的定位；礦產源位置的定位；飛彈上的導航；航空、海上、陸地之測量等等，都應為有 GPS 的加入，而更趨於完善的目標。. 2.1.1 GPS 的緣起 1958 年 12 月，美國海軍武器實驗室開始建立為美國海軍軍艦導航服務的衛星系統，即「海軍導航衛星系統」（Navy Navigation Satellite System， NNSS），此系統中衛星運行的軌道大多通過地球南北極，因此也稱為「子午（Transit）衛星系統」。1964 年該系統建構完成，提供美國軍方使用，1967 年 7 月 29 日，美國政府宣佈將該系統解密並提供民間使用，為衛星定位系統運用的開始。由於該系統不受氣候條件影響、自動化程度較高、且具有良好的定位精度，所以解密之後立即引起各方學者的研究與應用。雖然 NNSS 把導航技術的發展推向另一個新時代，但由於該系統的衛星數量較少（5-6 顆），衛星運轉的高度較低（平均運行高度約 1000km），從地面站觀測到衛星的時間間隔較長（平均約 1.5 小時），因而無法提供連續的三維導航。且獲得一次導航求解所需的時間較長，無法滿足軍事方面（由其是高速飛行目標，如飛機、 6.

(19) 導彈）導航需求。於是，美國國防部為軍事定時、定位與導航目的，將美國海軍所開發的 TIMATION（Time And Navigation）系統和美國空軍的 621B 兩個專案予以合併後並改名為「全球衛星定位系統」（NAVSTAR／GPS，Navigation Satellite Timing And Ranging／Global Positioning System，直接簡稱為 GPS），希望能以衛星導航為基礎的技術可構成主要的無線電導航系統，滿足各方面科技的應用。. 2.1.2 GPS 的發展全球定位系統所使用的衛星稱為 NAVSTAR，第一顆 GPS 衛星於 1978 年 2 月 22 日發射。GPS 為美國繼阿波羅登月與太空梭發展計劃後的第三大太空國防計劃，此一計劃係利用 GPS 衛星發射電波訊號以提供定時、定位及導航使用，其精確度極高，且不受電波干擾及時間、地點和天候的影響，提供使用者全天候、即時的位置與時間資訊，所能達到的精度較以往的導航及測量方法都來得高。在 1993 年 12 月 8 日第 24 顆 GPS 衛星進入太空軌道運行後，GPS 已達到初步操作能力（Initial Operational Capability，IOC），24 顆 GPS 衛星（包含初期測試用的 Block I 與量產型 Block II/IIA）提供全世界 24 小時全天候定位與導航資訊。美國空軍太空司令部（U.S. Air Force Space Command，AFSC）於 1995 年 4 月 27 日宣布 GPS 已達到完整操作能力（Full Operational Capability， FOC），將 IOC 中的 Block I 衛星加以汰換，24 顆衛星全部為 Block II/IIA 衛星所組成，成功地滿足軍事實務的操作。 GPS 衛星佈署在離地球表面約 20,200 公里上空的圓形軌道上，採圓形軌道的目的在於可增大地面可見範圍及增強全球均勻覆蓋。它們平均分佈於 7.

(20) 6 個軌道面上，每個軌道面上各有 4 顆，呈 55° 角傾斜繞行地球運轉，每 11 小時 58 分繞行地球一周，不論任何時間、地點，同時至少有 4 顆以上的衛星出現在我們的上空。由於 GPS 的運用技術迅速發展，使得民間的應用需求與日俱增，對傳統導航方式更有革命性的影響。由於 GPS 操作簡便、迅速，成果精確，其用途甚為廣泛，除軍事用途外，更大量運用在民用航空、航海、車輛控制、油源探測、大氣、地球科學等，特別是協助交通運輸、環境、生態、森林、地質等資訊之調查管理與土地測量等。目前國內外已大量在汽車上安裝 GPS 接收儀並配合電子地圖，以幫助駕駛者找到捷運及目的地，同時如徒步、登山及狩獵者亦可利用 GPS 提供方位不致迷失。我們可以肯定一點，日後 GPS 在航電、國防、交通甚至日常生活都將佔有非常重要的地位。. 2.1.3 GPS 的應用一、陸地應用 (一) 大地測量：國家及區域控制網建立，精密工程測量。 (二) 測量及製圖：地籍測量、地理資訊系統之資料測量、工程測量。 (三) 交通路網圖繪製。 (四) 地球動力研究與變形監測。 (五) 高精度時間比對。 (六) 陸上導航：支援緊急車輛（警車、救護車、消防、保全等），車輛監控派遣（計程車、危險性車輛、貨櫃運輸、火車等）。 (七) 森林巡視員之搜救任務，如登山意外事故、山崩、雪崩等。 (八) 森林資源管理。. 8.

(21) 二、空中應用 (一) 機場精密進場著陸，國內線、國際線民航機及直昇機導航。 (二)空中交通管制作業。 (三) 航空攝影測量導引與控制、空中重力及磁力測量之定位。 (四)農藥噴灑。 (五)休閒娛樂：滑翔機、飛行傘、輕航機等。. 2.2 GPS 系統架構全球衛星定位系統(GPS)只要是利用接收衛星軌道資料求解出衛星所在位置，再計算出接收器本身與衛星間的距離，以求出GPS接收器的位置，因此全球定位系統是一套不受地點、時間與天候影響的高精度定位系統。全球衛星定位系統架構可分為三大部份[15]；太空部份（the space segment），控制部份（the control segment）及使用者部份（the user segment）. 圖 2-1 全球衛星定位系統架構[15]. 2.2.1 太空部份（the space segment） GPS 系統之太空部份針對運行的衛星本體而言，目前係由 24 顆操作衛 9.

(22) 星及 3 顆備用衛星所組成。三顆備用衛星的功能主要在作為衛星失效時之備用及加強衛星之幾何分佈。在平時，這些衛星也可用於定位，故為主動預備（active spare）方式運作。 27 顆分佈於 6 個軌道面上如圖 2-2[1]，衛星軌道相對地球赤道面的傾角為 55°如圖 2-3，每個軌道面上至少分佈有 4 顆衛星，軌道面與另一軌道面上的衛星則相差 40°，衛星高度為 20,200 公里，每 11 小時 58 分繞行地球一周。這樣可以讓使用者在全球各地任何時刻都可以同時觀測到 4 顆以上的衛星，以利實施三度空間之定位測量。. 圖 2-2 衛星分布圖[1]. 圖 2-3 地球赤道面的傾角[1]. 10.

(23) 2.2.2 控制部份（the control segment）對於 GPS 導航定位而言，GPS 衛星是一動態的已知點，它是依據衛星傳送的星曆計算而得。所謂衛星星曆即是一系列描述衛星運動及其軌道的參數。每顆 GPS 衛星所傳送的星曆皆由 GPS 的地面監控系統所提供。衛星進入軌道運行之後，其各種設備是否正常運作、是否依預定軌道運行等，皆需要由地面設備來進行監測和控制。此外，地面監控系統還有一個重要的工作，就是保持各衛星處於同一時間標準（即 GPS 時間系統）。因此，由地面監控系統監測各衛星的時間，計算它們的有關正數，進而將導航訊息傳送給用戶，以確保處於 GPS 時系。 GPS 之操縱控制部分已於 1985 年 9 月完成。整個控制部分包括了一個主控站、三個地面控制站、五個監測站，而五個監測站中的三個（Ascension Island、Diego Garcia、Kwajalein)為地面控制站，其擁有專有的地面天線。主控站位於美國科羅拉多州之 Springs，主要功能為彙整監測站所蒐集的資料，並計算衛星的軌道與時間參數之後，做軌道平滑處理並將資料傳送至地面控制站，然後在藉由監控站專用天線將資料上傳至衛星。除此之外，衛星的控制與操作皆為主控站的主要任務。每個監測站均擁有一個GPS雙頻接收機、標準銫原子鐘、感測器及資料處理機，其座標都是經過美國國防製圖局精密測量而得。每個監測站必須每天24小時連續追蹤觀測每一顆衛星，並將每一秒半之虛擬距離接收量及接收所得之氣象資料及電離層資料聯合求解，得每15分鐘一個平滑資料，然後將資料傳送至主控站。主控站即整合個監視站之資料計算衛星星曆、衛星時鐘改正量及電離層改正係數等，並且將所得結果彙集成導航訊息傳遞到地面天線處，再由地面天線傳送到各衛星上，以更新衛星內的資料，如此，衛星即可傳送新的資料給使用者接收使用如圖2-4。. 11.

(24) 圖 2-4 地面控制站與衛星的示意圖[15]. 2.2.3 使用者部份（the user segment）使用者部份所指的就是能夠接收 GPS 衛星訊號及資料處理的接收器。由於 GPS 的運用十分廣泛，使用者部份可依照目的的不同而有所不同的功能、精度的接收器。當 1980 年第一台商用接收儀問世後，經過這些年的發展，由於其高精度、快速、經濟、全天候等諸多優點，GPS 已成為最受歡迎的定位技術，廣泛的用於導航、大地測量、海上測量及製圖等領域，甚至連那些過去與定位不大有關聯的行業，現在也採用 GPS 技術，例如火車工業、森林調查、農作物調查等等，其受歡迎程度由此可見一般。隨著科技的快速發展，GPS 衛星定位系統亦隨科技之進步而更新，GPS 衛星定位系統乃電子技術及電腦工業的結合，隨科技發展而進步最為神速。目前已研究開發出小巧、輕便、價格低廉，而精度又高的迷你型 GPS 衛星接收器如圖 2-5，其大小已縮至與手持計算機一般大小，並成為個人用導航、定位利器。GPS 產品依照應用場合不同，可以分為袖珍式、背負式、車載式、船用式、機載式以及彈載式等類型的 GPS 信號接收器。. 12.

(25) 圖 2-5 GPS 接收器. 2.3 衛星訊號結構 GPS衛星發射訊號，包含有載波與信號兩種頻率，利用衛星內部精密的振盪器產生10.23MHz 的基頻 f 0，並採用倍頻的方式產生L1載波與L2載波如圖2-6。載波L1與L2的頻率分別為： L1=154 f 0 =1575.42MHz L2=120 f 0 =1227.60MHz 同時可藉由這兩種載波調變為兩種虛擬隨機雜訊碼(PRN Cord)，一種為 C/A 碼，長度為 1023 Chips，頻率為 1.023MHz，所以每 1msec 可重複完整的 C/A 碼。另一種為 P 碼，則由 X1 長度 15345000 Chips 與 X2 長度 15345037 Chips 所構成，頻率為 10.23MHz ，故 P 碼重複一次的時間為 267 天 (15345000×15345037/10.23×10E6)，經過調變後的 GPS 載波上主要有 C/A 電碼、P 電碼及廣播星曆三種訊息，GPS 接收器經由這三種訊息便可計算出目前所在的位置。. 13.

(26) 圖 2-6 衛星訊號結構[15]. 2.3.1 衛星信號格式模組每秒更新一次的高精確度輸出可用於需要精確時間測量場合，一般 GPS 誤差小於 10 公尺，使用 RTCM 標準的 Differential GPS(DGPS)誤差小於 5 公尺，RTCM 為一國際性機構，用以制定 GPS 接收器與各種無線電信標台間的鏈結通信協定標準，包括差分定位廣播協定，本系統未使用 DGPS 協定，故誤差約為 10 公尺。模組輸出的資料格式分析中，由於 GPS 信號格式有許多資料，各自的開頭字串皆不相同，其中移動系統選取的是$GPGGA 字串開頭的資料，所以在這裡將資料格式表示如下： $GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh< CR><LF> <1>UTC(Universal Time Coordinated )國際標準時間(也稱為格林威治時間)-格式固定為 hhmmss。 <2>緯度-格式固定為 ddmm.mmmm(高位元的 0 不會省略)。 <3>緯度南北半球表示：N-北半球或 S-南半球。 <4>經度：格式固定為 dddmm.mmmm(高位元的 0 不會省略)。 <5>經度東西半球表示：E-東半球或 W-西半球。 <6>GPS 指示：0-資料無效，1-GPS 信號(資料有效)，2-DGPS 信號 14.

(27) (資料有效)，6-估測中。 <7>接收到衛星數目 00~12(高位元的 0 不會省略)。 <8>水平精確性 0.5~99.9 <9>天線高度位於高於/低於平均海平面高度-9999.9~99999.9 公尺。 <10>地平面高度-999.9~9999.9 公尺。 <11>DGPS(RTCM SC-104)資料時間，最後有效的 RTCM 傳送至今所經過的秒數(非 DGPS 則無此欄位)。 <12>DGPS 參考站 ID-0000~1023(高位元的 0 不會省略，非 DGPS 則無此欄位)。所以程式首先判斷程式暫存區的簡訊開頭字串是否為$GPGGA，開頭字串不是$GPGGA表示非移動系統所發出的定位信號，程式將不處理結束處理副程式，反之程式會顯示國際標準時間、移動系統的所在經緯度、GPS指示及衛星數目其中的國際標準時間比台灣的本地時間慢8小時，所以處理方式就是將國際標準時間的小時數加上8後除24取餘數即可，最後舉2個範例說明程式處理GPS格式的方式：. 範例1：有收到GPS 信號情況訊息：$GPGGA,064046,2501.1254,N,12132.8535,E,1, 07,1.0,40.5,M,17.1,M,,*7E 分析：國際標準時間：06:40:46，本地時間：14:40:46 緯度：2501.1254,N(北半球) 經度：12132.8535,E(東半球) GPS指示：(1)GPS 信號衛星數目：07 顆. 範例2：沒有收到GPS 信號情況 15.

(28) 訊息：$GPGGA,060444,2503.6454,N,12138.7213,E,0,00,,,M,,M,,*56 分析：國際標準時間：06: 04:44，本地時間：14: 04:44 緯度：2503.6454,N(北半球) 經度：12138.7213,E(東半球) GPS 指示：(0)資料無效衛星數目：00 顆. 2.4 衛星定位原理 GPS 的定位是利用衛星基本三角定位原理，GPS 接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離，以距離來判定衛星在太空中的位置，這是一種高軌道與精密定位的觀測方式。此距離的測量以 GPS 衛星發射的訊號為基礎，以發射端及接收端同步的原子鍾計算傳送時間。從衛星傳送訊號至接收端，計算得到距離及時間，進一步計算出接收端的位置與速度。在定位定位量測方法中，有虛擬距離(Pseudorange) 觀測與載波相位 (Carrier phase) 兩種方式。但虛擬距離觀測比較適合即時的定位，因此我們採用虛擬距離觀測應用於在導航定位上。虛擬距離是利用 GPS 接收器本身所產生的 GPS 複製電碼和所接收到的衛星訊號電碼相關性而得到時間延遲 (Time Delay) 或時間偏移(Time Shift) 與光速的乘積轉換成距離，由於此距離受到存在於衛星和 GPS 接收器的時錶差影響，故與實際的距離會有一偏差量的存在，加上實際量測者亦含有偏離量之時間遲滯，故稱之為虛擬距離。假設衛星於b時刻發送出訊號，而GPS接收器於a時刻接收到訊號如圖2-7 所示，則訊號傳播的時間延遲如下： τ = Tb − Ta = (τ b − Δt s ) − (τ a − Δt r ) = (τ b − τ a ) − (Δt r − Δt s ) ........................................(1). τ :表GPS 時系. 16.

(29) Δt r ：表接收器之時錶誤差 Δt s ：表衛星之時錶誤差. 則虛擬距離的計算如下： ρ PR = c *τ = c * (τ b − τ a ) + c * (Δt r − Δt s ) = R + cΔt r − cΔt s = R + ΔR ................................................(2). ρ PR ：表虛擬距離(Pseudo-range). R：表衛星到接受器的真實距離]. 圖 2-7 虛擬距離時間測量. R 2 = ( X R − X sa ) 2 + (YR − Ysa ) 2 + ( Z R − Z sa ) 2 ...........................(3) ( X Sa , YSa , Z Sa ) ：表第 a 顆衛星瞬間的軌道位置. ( X R , YR , Z R ) ：表接受器的瞬間位置. C：表光速若在一瞬間，同時接收到三顆以上的衛星訊號，則透過廣播之衛星星曆，即可解出衛星瞬間的軌道位置 ( X S , YS , Z S ) 。代入式(3)中，即可求得接收器對第 a 顆衛星的關係式如下： Ra = ( X R − X sa ) 2 + (YR − Ysa ) 2 + ( Z R − Z sa ) 2 ..........................(4) 2. 同理可求得接收器對 b、c、d 衛星的關係 17.

(30) Rb = ( X R − X sb ) 2 + (YR − Ysb ) 2 + ( Z R − Z sb ) 2 ..........................(5) 2. Rc = ( X R − X sc ) 2 + (YR − Ysc ) 2 + ( Z R − Z sc ) 2 ..........................(6) 2. Rd = ( X R − X sd ) 2 + (YR − Ysd ) 2 + ( Z R − Z sd ) 2 ..........................(7) 2. c c a a a b b b c d d d 其中 ( X S , YS , Z S ) 、( X S , YS , Z S ) 、( X S , YS , Z S ) 、( X S , YS , Z S ) 為衛星a、b、c、. d 的瞬間軌道位置，可由衛星廣播星曆中求得。 Ra 、 Rb 、 Rc 、 Rd 為衛星a、 b、c、d 到接受器的真實距離，且以 R = ρ PR − cΔt r + cΔt s ，代入上式中，因虛擬距離 ρ PR 可由量測求得，且同一接收器具有相同的時錶誤差 cΔt r ，且每個衛星時錶誤差 cΔt s 幾乎相等，所以由上式聯立求解，我們可以求得接收器之瞬間位置，並且消去接收器時錶誤差。. 2.4.1 GPS 的誤差分析我們在利用GPS 進行定位時，由於訊號並非在理想狀況下傳送，故衛星訊號傳送便產生誤差如圖2-8所示。此外GPS 系統整體也有各種電子或人為的誤差，由於這些誤差造成計算過程中得到錯誤的定位。而影響GPS 定位精度的因素可分為以下的幾個原因：. 圖2-8 GPS的誤差[1] 18.

(31) 一、衛星軌道誤差：一般以GPS 衛星的次資料框2、3 所輸出的軌道定位導航參數，經由數學模式運算所解算出的衛星位置偏差約為80M，若經由特殊管道取得更精確數值則可使誤差降至10M。二、衛星時序誤差(Ephemeris Error)：每顆GPS 衛星上各配有高精度的原子鐘，但是原子鐘的時間並非完全與GPS 時間同步，而且由地面站所傳送的修正值亦並非完全正確，故每顆衛星均存在一時錶偏差。三、接收機時表偏差(GPS Receiver Error GPS)：接收機與GPS 衛星一樣，係由本身的振盪器產生時序，兩者間時序的偏差將造成定位的偏差。四、電離層折射延遲：電離層的分布約為地表上方100 至1000 公里左右。而電離層的效應大小與電離層中的電子分布、太陽黑子有關。一天之中以中午時間其效應最大，約為50~60nsec (約15~18米)。五、對流層效應(Aerosphere Error)：對流層一般分為上下兩部分，其中以下層(0~40 公里)對電波影響較大，上層對流層(40~80 公里)之影響微小可忽略不計。而下層對流層又可分為乾濕兩層，其中乾層延遲佔全部延遲的80% 以上。六、多路徑效應(Multipath Error)：當接收機的天線附近有大型反射物體時，衛星發送的電波訊號就容易被反射，造成訊號干涉的現象，使得觀測之虛擬距離產生誤差，一般可達10~20 公尺，其消除的方法為減少接收機附近的反射，以及儘量使用高仰角的衛星。七、週波脫落：在使用GPS 定位時，當衛星的訊號被遮蔽時，接收器便無法追蹤到衛星訊號，待訊號再被接收到時，相位訊號的小數部分，因為是由鎖相迴路所計算得出，所以並不會受到影響，但是相位的週波整數部分，則無法得到正確值，此整數部分的不正確稱為週波脫落。八、相位中心位移：在天線接收定位訊號時所定位的位置與其相位的中心並不一定重合，此定位偏差稱為相位中心位移。 19.

(32) 第三章. GIS 地理資訊系統發展概況. 由於地理資訊系統的應用範圍廣泛，所以GIS 並不是一個獨立的研究領域。GIS 的技術其實是集合了電腦繪測(Computer cartography)、遙感探測 (Remate) 、資料庫管理 (Database management) 以及電腦輔助設計 (Computer-aided design)等四個領域的技術精華而成。由於各種領域的技術背景並不相同，所以各種領域上的學者對GIS 的看法都不儘相同，地理資訊系統能夠發展成為一套熱門的學問，在於其本身可以有效的解決各方面的難題，滿足人類的需求，當我們處在不熟悉的環境時，能夠明白的指出自己身在何處時，就得靠我們所定義的座標系統來決定。座標系統大致上又可以分為兩大類：第一種為〝相對座標〞，我們可以利用一個已知的顯著座標來表達出我們所要求得的位置，舉例來說：面對台北火車站左邊算起的第三棟大樓。另一類就是〝絕對座標〞，目前世界上所認同的座標系統計有：(1)經緯度座標、(2)世界橫麥卡脫座標(Universal Transverse Mecator，UTM)等等。但是我們在使用這些座標系統時最重要的考量問題，便是精度上的要求。因為每一種座標系統本身都有其精度範圍的限制，因此台灣地區現行座標的計算仍採用橫麥卡托投影，只是分帶縮小為經度二度，以赤道為X 軸，以東經121 度為中央經線(即Y 軸)，尺度比例為 0.9999。但如此會有部分地區落於座標的第三象限，故將Y 軸西移250,000，令X與Y 座標同為正值，簡稱TM 二度座標系統，如圖3-1之座標系統所示。由於現代人生活步驟緊湊忙碌，時間就是金錢的觀念深植人心，所以凡事都講求快速有效率。但是根據統計的結果顯示，通勤者最頭痛的問題就是塞車。因此地理資訊系統利用的空間與屬性資料整合發展出最佳路徑的尋找，除了用來分析最適當的替代道路來導引駕駛者的行車路線。本身也包括了旅行者推銷問題(Traveling Salesman Problem)、尋找最近的服務設施(Find the Closest Facility)等等。 20.

(33) 圖3-1 台灣地區 2 0 TM座標系統. 3.1 衛星座標系統與轉換由於 GPS 收到的資料為全球通用的 WGS 84 訊息格式，因此，為使定位資料能夠更加精確，必須將 GPS 地心座標系統 WGS 84 橢圓座標如圖 3-2 之三維座標，緯度、經度及幾何高為 (ϕ , λ , H ) ，經過座標轉換為台灣地區現行的大地座標系統 GRS 67 ( X , Y , Z ) 如公式 1、2、3，轉換流程如圖 3-3 所示，亦即台灣常用的二度分帶橫麥卡托投影(TM2 二度分帶)做為行車時的參考。. 圖3-2 WGS84橢圓座標. 21.

(34) WGS84 (ϕ , λ , H ) WGS84 ( X , Y , Z ) GRS67 ( X , Y , Z ) GRS67 (ϕ , λ , H ) TM2(E，N). 圖3-3 座標轉換流程. X = ( N ' + H ) cos ϕ cos λ .......................................(1) Y = ( N ' + H ) cos ϕ sin λ ........................................(2) Z = [ N ' (1 − e 2 ) + H ] sin ϕ .......................................(3) N '=. a 1. (1 − e 2 sin 2 ϕ ) 2 b = a(1 − f ) 1. (a 2 − b 2 ) 2 e= a a ：參考橢球體之長軸半徑 b ：參考橢球體之短軸半徑 f ：扁率. 公式4再由WGS84 ( X , Y , Z ) 模式轉換成GRS67 ( X , Y , Z ) ⎡X − X m ⎤ ⎡X ⎤ ⎡ΔX ⎤ ⎡ X m ⎤ ⎢ ⎥ ⎢Y ⎥ ⎢ ⎥ = ⎢ΔY ⎥ + ⎢Ym ⎥ + (1 + S ) R ⎢⎢Y − Ym ⎥⎥ ..................(4) ⎢ ⎥ ⎢⎣ Z − Z m ⎥⎦ WGS 84 ⎢⎣ Z ⎥⎦ GRS 67 ⎢⎣ΔZ ⎥⎦ ⎢⎣ Z m ⎥⎦ WGS 84 +εZ ⎡ 1 ⎢ R：旋轉參數矩陣＝ − ε Z 1 ⎢ ⎢⎣ ε Y −εX ΔX 、 ΔY 、 ΔZ ：平移參數. − εY ⎤ ε X ⎥⎥ 1 ⎥⎦. X m 、 Ym 、 Z m ：WGS84之重心座標 22.

(35) ：尺度參數. S. 公式5、6、7由GRS67 ( X , Y , Z ) 模式轉換成GRS67 (ϕ , λ , H ) λ = tan −1 (Y X ) ............................................... (5) Z + ε 2 b sin μ ϕ = tan −1 ( ) ........................................(6) P − e 2 a cos 3 μ h=. P − N .................................................(7) cos ϕ. Za 其中 P = X + Y ， μ = tan ( ) ， Pb 2. −1. 2. (a 2 − b 2 ) ε= b. 1. 2. 得到 GRS 67 座標 (ϕ , λ , H ) 之後，將之轉換成國內常用的投影方式，亦即台灣所使用的二度分帶橫麥卡托投影(TM 二度分帶)之平面座標(E，N)，如公式 8、9 所示。計算出距離、時速、及預估所到達的時間，作為行車時的參考，將 GPS 的資料傳送到電子地圖中，即時在地圖上顯示出車輛所在地位置，監控台上功能表則包含了車輛狀況即時更新、聲音撥放、客戶基本資料、路線規畫、行車記錄查尋、車輛即時追蹤等功能。 E = Ws + K 0 [ R N cos ϕ (Δλ ) + *(. 1 R N cos 3 ϕ 6. RN 1 − tan 2 ϕ )(Δλ ) 3 + R N cos 5 ϕ 120 RM. ........................... (8). * (5 − 18 tan 2 ϕ + tan 4 ϕ (Δλ ) 5 )]. N = K 0 [a(1 − e 2 )( Aϕ − B sin( 2ϕ ) + C sin( 4ϕ ) − D sin(6ϕ ) + +. 1 R N sin ϕ cos ϕ (Δλ ) 2 ...................... (9) 2. 1 R N sin ϕ cos 3 ϕ (5 − tan 2 (Δλ ) 2 )] 24. 3 4. 其中 A = 1 + e 2 +. 45 4 175 6 e + e 64 256. 23.

(36) 3 15 525 6 B = e2 + e4 + e 4 16 512 C=. 15 4 106 6 e + e 64 256. D=. 35 6 e 256. Ws ：TM 二度分帶橫座標偏移量，其值為西移 250,000m K 0 ：TM 二度分帶之中央經線比率，其值為 0.9999 RM ：子午圈曲率半徑. 24.

(37) 第四章. GSM/GPRS 無線行動通訊技術. 4.1 GPRS 網路的發展方式無線行動通訊在過去二十年內，快速的發展，許多無線行動通訊的規格標準，都陸續的被制定出來。各個標準間的調變方式、操作頻譜都不盡相同，造成各標準彼此間的適用區域與使用時機也不一樣。但由於 GSM(Global System for Mobile Communications) 行動通訊系統許多優異的特點，加上全世界很多國家都採用 GSM 通訊標準，所以 GSM 成為目前最流行的行動通訊系統，使用人數也是最多。 GSM 中的 Global即代表在最初制定 GSM 通訊系統時，希望 GSM 能成為通行全球的通訊系統。一般而言， GSM 通訊系統上的資料幾乎皆為語音通話，雖然 GSM 通訊系統也能傳送數據資料，但是 GSM 系統在傳輸數據資料時卻有相當多的缺點，這些缺點包括大部分都僅侷限於語音的通話應用。大體而言，GSM 通訊系統上的皆為語音通話屬於電路交換，GPRS 網路內則同時具備有電路交換與封包交換兩種傳輸型態。在詳細介紹 GPRS 網路前，必須先提到網路上電路交換(Circuit-Switch) 與封包交換(Packet-Switch)兩種資料傳輸型態，不同的資料傳輸型態造成應用服務的資料流量(Data Flow)方式也不同。 GPRS 網路與 GSM 網路的最大差異，就在於 GSM 網路內只有電路交換的傳輸型態，當 GSM 網路升級到 GPRS 網路後， GPRS 網路內就同時具有電路交換與封包交換兩種傳輸型態了。一、電路交換(Circuit-Switch) 電路交換(Circuit-Switch)的方式是在網路發送端(Transmitter)與接收端 (Receiver)間建立了一個固定的通道，不管發送端有無資料傳送，網路都在通道上保留固定的頻寬與通道等網路資料供發送端使用，如圖4-1所示。. 25.

(38) 圖4-1 電路交換型態[16]. 電路交換優點是傳送資料不會受到其他使用者的傳送資料所影響，因此通道上每筆資料的延遲時間皆非常固定，缺點是對通道的利用率不高，且以通道的連線時間計費。當應用服務需要固定的資料傳輸速率，或對延遲非常敏感(Sensitivity)時，較適合使用此資料傳輸型態。二、封包交換(Packet-Switch) 封包交換(Packet-Switch)是發送端(Transmitter)將資料切割成一段段的封包，並且發送端將每一個封包內註明接收端(Receiver)的位址後傳送到網路上，再根據封包內所包含之位址將封包傳送到接收端的所在位置，接收端收到封包後再將封包重新組織起來。它的優點是多個發送端能夠同時間共同使用一個傳輸通道，增加通道上的利用效率，如圖 4-2 所示，缺點是當所有發送端同時傳送資料時，此時傳輸通道上的資料會出現擁塞的現象，造成資料到達接收端的延遲時間不一致。當應用服務傳送的資料流量並非一直持續不斷的送出，而是在偶發性 (Bursty)的時間傳送時，較適合用封包交換這種資料傳輸型態。雖然 GSM 通訊系統也能傳送數據資料，但是 GSM 系統在傳輸數據資料時卻有相當多的缺點，而且數據的傳輸速率卻只有 9.6Kbps、每次傳輸數據資料時都必須撥接上網、費用是以連線時間的多寡來計費費用、從開始 26.

(39) 圖 4-2 封包交換型態[16]. 撥號到建立完成一個連線需要耗費太多的時間等，種種的因素都造成GSM 通訊系統的數據傳輸服務應用可說是乏人問津，其比較如表4-1. 傳輸方式速度非語音主要用途計費方式其他. 表 4-1 GSM 與 GPRS 的比較 GSM GPRS Circuit switch Circuit switch Package switch 9.6 Kbps 160 Kbps 簡訊(有字數限制) 資料量無限制語音傳輸資料傳輸依通話時間依封包個數同時間只能語音與資可同時使用語音料傳輸擇一傳輸與資料傳輸. 相較於網際網路 Internet 的高速傳輸速率、及區域網路(LAN)上的電腦隨時連接網路、收費低廉等特點，簡直是天壤之別，這是現今 GSM 通訊系統的數據傳輸應用仍無法普及的主要原因。因此，GPRS(General Packet Radio Service) 網路的發展目標就是為了要改善 GSM 網路傳輸數據資料的缺點，從 GSM通訊網路升級到 GPRS 網路非常簡單，只要在現有的 GSM 網路增加SGSN 以及 GGSN 兩個新的網路節點設備如圖4-3，原有的 GSM 通訊設備仍然保留，因此，當 GSM 網路升級到 GPRS 網路後，即可做大量的資料傳輸了，理論上來說，最高速率可達到 160 Kbps。 27.

(40) 圖4-3 GPRS 網路能同時進行電路交換與封包交換兩種傳輸方式[16]. 台灣地區 GSM 目前普遍使用的頻帶為900MHz與1800MHz，於市區中，GSM900的一個 CELL 涵蓋約800~2000公尺，而GSM1800的 CELL則涵蓋約400~900公尺；於郊區，GSM900的一個 CELL 涵蓋約5~10公里，而 GSM1800的 CELL 則涵蓋約2~5公里。加上全台灣的基地台的分佈皆相當密集，不論到哪個角落都能收的到訊號，因此非常適合作行動數據回報的傳輸媒介，這也是本論文選擇 GPRS (無線分封數據服務)的原因。. 28.

(41) 第五章. 車輛監控系統架構與移動系統的介紹. 5.1 車輛監控系統的整體架構本論文採用 ARM 7 CPU 和 BENQ M22 GSM/GPRS 模組，以及 Leadtek SiRFstartIII GPS 模組的車輛定位監控系統，提出了在嵌入式平台上實現車載資訊處理終端的開發方案，詳細介紹了各個硬體和軟體模組的功能和實現方法。近年來，對地域廣泛、機動性強、數量眾多的行動目標有效監控、緊急救援和各種資訊服務的需求，在客運、公安、銀行、物流管理等產業表現得尤為突出。全球定位系統技術的發展使得行動目標的即時定位成為可能，同時無線通訊技術也得到了長足進展，對行動目標進行遠端監控調度成為可能。特別是 GPRS 業務的出現，使得人們能夠對行動目標進行全國範圍、即時、全天候監控調度。車輛監控系統之整體架構如圖 5-1 所示。. 圖 5-1 車輛監控系統之整體架構一、嵌入式移動車載 Client 用戶端：包括中央處理單元 ARM 7、 GPS 接收機、 GPS 天線、GSM/GPRS 手機模組。車載 Client 終端能夠進行定位、通話、警報和即時監控等功能。. 29.

(42) 二、無線通訊數據網路：無線數據傳輸設備 GPRS 則作為基地台與各行動目標物進行資訊交換的樞紐，是整個車輛監控系統中的重要組成部份，在此選擇了公用通訊網。三、數據中心/監控中心：即是所謂的監控台，包含數據庫、監控終端/GIS 終端、業務處理終端。於此數據中心和監控中心處於同一實體位置，合併為一監控台，同時處理兩者之業務。監控台一方面接收從網路傳來的數據資料，並將其分門別類儲存起來，另一方面則對數據資料加以處理以顯示給使用者看，以便進行隨時監控的動作。目前，移動車載 Client 端從硬體構成來看可以分為兩類：一、以單片機作為核心處理器，只能進行簡單的數據採集，對數據不作太多處理，組訊框後透過無線數據機(或其它通訊模組)發送給中心，此即為嵌入式移動系統，這種系統消耗功率和體積都很小，功能有限，例如 8051 單晶片。二、車載電腦系統，以普通 CPU 作為資訊處理單元，能對數據進行複雜處理，如數據庫查詢和更新等，但是這種系統功耗和體積都很大，很多場合不便於使用。隨著行動運算技術的迅速發展，開發一種功耗低，體積小的車載系統成為可能。本論文中開發的終端採用了嵌入式的 CPU 和作業系統，整體系統不僅消耗功率很低，而且體積也大幅縮小，非常適合作車輛監控的應用，並且作為一種平台系統它還具備不錯的資訊處理能力。. 5.2 嵌入式移動車載系統之硬體架構隨著嵌入式系統的發展，發展出一個功率低，體積小的系統變成一種可能。本文著重於嵌入式移動車載平台之實現，進而結合監控台的功能，來達. 30.

(43) 成車輛管理監控之目標。嵌入式移動平台架構包含 Leadtek SiRFstarIII GPS 全球衛星定位模組、 Benq M22 GSM/GPRS 無線通訊模組、Arnux 7511 ARM 7 TDMI CPU 核心處理器等三大部分，主要是利用 Arnux 7511 ARM 7 CPU 為核心來進行系統的控制，其周邊介面豐富，最重要的是功率消耗低，這對於車載系統而言或者手持式行動運算設備來說都非常重要，因為這些設備普遍採用電池供電，低功耗消耗保證了設備的高可用性，以及可以長時間的使用。透過 GPS 衛星接收器，接收來自衛星的定位訊號，再加上車輛 ID 與車輛上的事件描述後，再透過 GSM/GPRS 模組，把加工後的定位資訊，經由 TCP/IP 網路上傳至監控台，讓管理者能夠隨時掌握車輛的一舉一動，並於必要時與之聯繫，了解車輛運行狀況或進行新路線的派遣及更換，達到車輛管理的目的，若是發生緊急狀況時，也能進行全程錄音。對於嵌入式移動平台的架構如圖 5-2 所示，對於每一個模組詳細的過程，將詳述於下。 PC. Arnux 7511 Arm 7 CPU. 3x4 Keypad Reporting Center Switch 74HC244. Benq M22 GSM/GPRS module. Leadtek GPS module. 圖 5-2 嵌入式移動車載平台的架構圖一、系統中央處理單元：採用研廣公司開發以 ARM 7TDMI CPU 為核心所發展的 ARNUX 7511 開發版如圖 5-3，周邊介面豐富，低功率消耗， 31.

(44) 這對於車載或者手持等行動運算設備來說非常重要，因為這些設備普遍採用電池供電，低功耗性能保證了設備的高可用性。. 圖5-3 ARNUX 7511實體圖. 二、 GPRS/GSM 單元：在本論文中採用了 BENQ M22 GSM/GPRS Module 如圖 5-4，該系列 GPRS/GSM 模組能夠支援語音、數據、傳真等功能，可以滿足系統的設計要求。支援串列埠 RS232 通訊，直接經由串列埠 RS232 即可對其下指令控制。在 GPRS 不可用的地區，還可以透過 GSM 短消息傳輸數據。. 圖5-4 BENQ M22 GSM/GPRS Module實體圖 32.

(45) 三、 GPS 接收裝置：為簡化整個系統的設計，本設計採用了 Leadtek SiRFstartIII GPS 接收裝置如圖 5-5，該款接收裝置的幾個重要參數如下：熱啟動時間＜18sec、冷啟動時間＜42sec、位置誤差小於 10m、數據更新率為 1 秒/次、連續更新，並能輸出 NMEA-0183 格式定義的二進制格式數據，可以滿足普通車輛監控管理定位系統要求。. 圖5-5 GPS Module實體圖. 5.3 嵌入式移動系統韌體程式結構與流程在介紹完嵌入式移動系統的硬體後，接下來接著介紹其韌體程式構成。由於嵌入式移動系統包含 GSM/GPRS 、 GPS ，並且使用 ARM 7 為作為數據資料的處理核心 CPU ，因此程式的撰寫必須能進行 GPS 數據資料的採集、處理與傳輸應用，處理完的數據資料再經由對 GPRS 模組透過網路傳送至監控台，監控台再將從車載端收到的數據資料加以分析與顯示，而在介紹程式流程前則必須先了解整個車輛監控系統之規格與嵌入式移動車載系統的操作流程才行。一、車輛監控台規格： (一)行車紀錄建檔功能 1. 出發位置與時間之紀錄 33.

(46) 2. 終點位置與時間之紀錄 3. 中途站位置和到達時間之紀錄 4. 平均車速(行駛距離/花費時間) 5. GPS 座標回報紀錄(可設定紀錄的間隔時間) (二)行車紀錄尋找及列表功能 (三)即時車況 1. 車輛位置即時回報 2. 通話功能 3. 監聽功能(mute)(錄音為 option) 4. 車速回報 5. 預估到達目的地時間 (四)車輛異常即時回報 1. 停靠站停留過久警示(minor) 2. 車輛緊急救助警示(major) 二、嵌入式移動車載系統規格： (一) Start Button：將 GPS 接收到的數據資料經 GPRS 傳至主控台,並送出 Start 信號與 ID Number 代表已從起點出發，並陸續的傳送 GPS 定位資料。 (二) Transit Button：將 GPS 接收到的數據資料經 GPRS 傳至主控台,並送出 Transit 信號與 ID Number 代表已到達中繼點出發，並陸續的傳送 GPS 定位資料。 (三) Stop Button：將 GPS 接收到的數據資料經 GPRS 傳至主控台,並送出 Stop 信號與 ID Number 代表已達終點，並停止傳送 GPS 定位資料。. 34.

(47) (四) Emergency Button：發出 911 緊急訊號,讓監控台得知狀況並作適當應變措施,且開啟錄音功能進行全程錄音，以便日後調查之用。當緊急狀況排除後，再按一次 Emergency Button 即可解除緊急訊號的發送。 (五) 語音撥號：與監控台以語音方式聯繫。 (六) 掛斷：終止語音通話。. 以上是整個車輛監控系統的車載 Client 端系統規格與車輛監控系統之規格，接著介紹嵌入式移動車載系統之操作流程，於出發點按下 Start Button ，接收 GPS 信號經 GPRS 告知監控台出發地點並開始陸陸續續傳送定位座標給主控台。當到達中繼站時按下 Transit Button ，傳送到達中繼點之信號與定位座標。最後至終點時，按下 Stop Button 告知監控台已到達並停止傳送 GPS 定位信號。途中司機可與監控台以語音方式聯繫，報告路況或告知注意事項等。若遇緊急狀況，可按下 Emergency Button 經 GPRS 發出緊急訊號，並開始連續地傳送 GPS 定位信號與語音信號，而主控台也將採取緊急應變措施，開啟即時車況追蹤與錄音功能，掌握現場的情況並作最好的處理。清楚了所有的操作流程後，才能對韌體程式的撰寫有初步的構思，經過不斷地測試，才能實現。韌體程式之撰寫流程包含 3x4 鍵盤掃描、 M22 GSM/GPRS Module 初始化、 74HC244 SWITCH 的切換、 GPS 數據資料接收、 M22 GSM/GPRS Module 之控制等幾個區塊。由於 ARNUX 7511 COM1 預設鮑率為 115200 baud，因此只要 PC 端開啟超級終端機(Hyperterminal) 將鮑率調至 115200 baud，資料位元(Data bit)為 8 bit，停止位元(Stop bit)為 1 bit，即可與之連接。. 35.

(48) 為了利用剩下的 COM2 同時連接 GPS 與 GPRS ，所以需要 74HC244 作切換用。 GPS 接收器支援標準的 RS232 協議，因此不用改動任何驅動程式即可實現 GPS 數據的讀取。 NMEA-0183 規定了 GPS 數據的輸出速率為 4,800 baud，因此程式首先要打開 ARNUX 的 COM2 ，設置串列埠速率為 4,800 baud，工作模式為資料位元 8 bit，停止位元 1 bit。而 M22 GSM/GPRS Module 之串列埠具備了 Auto-baud rate 的功能，其鮑率掃描範圍為 1200 baud 至 115200 baud，所以不需更改 COM2 之鮑率就能與之溝通。需注重的是 SWITCH 74HC244 切換動作的 Timing 要掌握好。串列埠開啟後，接著就是對 GPRS 模組進行初始化，初始化其實就是對它下達 AT 指令(AT Command)，做一些設定。設定結束後，隨即撥接上網，與監控台連接並維持一直連線的狀態，由於 GPRS 是以量計費，不用擔心維持連線會造成費用的負擔增加。在網路傳輸方面，採用 TCP/IP 協議來傳輸數據，但是這是以犧牲一定的即時性為代價，在行動 IP 環境下，分組的延遲時間可以達到 1,000ms 以上，即使這樣，普通車輛在這個延遲時間內的位置變化也是有限的，可以滿足監控要求。在制定數據傳輸格式時沒有加入校驗字段，這是因為 TCP 協議已經提供了很完善的錯誤檢驗/重傳機制，沒有必要再加入訊框校驗字段。而選用的 BENQ M22 GSM/GPRS Module 已含有 TCI/IP 的功能，經由 GPRS 傳送出去的數據資料皆會包上 TCP/IP 封包，省下了自己寫協定的時間。待一切就緒後，剩下的就是 ARNUX 的工作了。利用 ARNUX 的 GPIO 去作鍵盤掃描與 SWITCH 切換的功能，鍵盤按鈕的功能基本上就是嵌入式移動系統規格，只是多了 POWER ON/OFF ，至於嵌入式移動系統規格由於前面已提過，在此便不多作贅述。圖 5-6 所示即為程式流程基本架構。 36.

(49) Client 端按鈕. 圖 5-6 程式流程圖. 5.4 即時監控系統程式介紹在啟動即時監控應用程式時，首先主畫面會先產生一個安全性登入的應用程式，當輸入正確的密碼後則正式的啟動主應用畫面，在主應用程式畫面中還包含了，用戶基資料、行車歷史資料查尋、聲音播放、車輛路線設定、即時車況查尋等副屬應用程式。當監控台端接經由網路 TCP 通訊協定收到用戶端的 GPS 信號時，此時先判斷即時車況事件是否啟動，若啟動則將用戶端的 GPS 信號放入到電子地圖中，將即時車輛的位置顯示出來，若是無啟動即時車況事件或是執行完即時車輛顯示後，判斷 GPS 的信號是否為 GPGGA 的形式，若為否則跳回程式開頭處，若為是則判斷該筆 GPS 信號有沒有收到衛星的資料，若 GPS 沒有收到衛星資料，則在主控台上顯示＂未接收到 GPS 衛星資料＂的對話 37.

(50) 盒，若有收到 GPS 衛星資料則取出信號中的車輛編號、行車事件、經度、緯度，取出 GPS 的經度、緯度後經由座標轉換公式將經度、緯度轉換成二度平面座標，然後利用該平面座標算出車輛的行車距離、車行的速度、平均行車速度、及預估行車到達時間程式流程如圖 5-7，最後將資料即時的顯示在監控端上如圖 5-8。主畫面程式開始. 利用 TCP 接收由 GPRS 送來的資料. 是. 判斷即時車. 將 GPS 的信號傳送至電子地圖中. 況是否啟動. 否否判斷 GPS 的信號是否開頭為＂GPGGA＂. 是 GPS 無信號＂警告＂. 否. 判斷 GPS 是否有收到衛星信號. 是. 將 GPS 信號中的 CarID 及 Event 取出. 將 GPS 信號的經、緯度轉成二度平面座標. 利用二度平面座標計算出距離、速度、預估到達時間. 將計算出的資料即時顯示在 IOTable 中. 主畫面程式結束. 圖 5-7 主畫面程式流程圖 38.

(51) 圖 5-8 即時監控主畫面圖. 39.

(52) 第六章. 操作說明與實驗結果. 實驗成果主要分成兩個部分來進行，一是實際路測，二是對監控台的多人連線測試。以下分別就這兩部分之實驗成果作討論，看是否合乎本論文所要求達到之目標。一、實際路測. 實驗目的： (1)測試嵌入式移動車載系統於實際道路測試時之穩定性與可靠度。 (2)觀看監控台是否有正確地接收數據資料，並進行監控。. 實驗步驟：嵌入式移動系統全圖則如圖 6-1 所示，首先從 Linux 主機將編譯完的程式傳送到嵌入式移動系統 Client 端如圖 6-2，當嵌入式移動系統 Client 端接收到資料的時候透過終端機執行程式。程式執行後，馬上會開啟 COM2 ，等待使用者按下 Power On 。 Power On 一被按下，嵌入式移動系統接著就進行初始化(Initialization)的動作，如圖 6-3 所示。. 圖 6-1 嵌入式移動車載系統實體全圖 40.

(53) 圖 6-2 Linux 主機畫面. 圖 6-3 終端機初使化程式. 在此則先將監控系統過程分成車載 Client 端內部的運作情形畫面與監控 Server 端的運作情形做一個解說。一、車載 Client 端內部運作情形首先於出發點按下按鈕 1 傳回出發點訊號，接著嵌入式移動車載系統會自動地陸續傳回定位數據資料，到中繼站時按下按鈕 2，傳回中繼點訊號， 41.

(54) 如圖 6-4 所示。. 圖 6-4 回傳中繼點訊號畫面最後到達終點時按下按鈕 3，傳回終點訊號並終止繼續回傳定位數據，如圖 6-5 所示。. 圖 6-5 回傳終點訊號定位數據畫面. 緊急況發生時，按下按鈕 4，傳回緊急訊號並撥打語音通話回監控台進. 42.

(55) 行錄音與監聽，如圖 6-6。. 圖 6-6 緊急狀況發生時畫面一錄音時間設為 30 秒，30 秒過後又會再傳回定位數據資料至監控台，如圖 6-7 所示。. 圖 6-7 緊急狀況發生時畫面二. 若是沒有於 3 秒內取消緊急狀況，嵌入式移動系統會持續回傳定位數據 43.

(56) 資料。如此一直循環下去直到再次按下緊急按鈕，將緊急狀況解除後才停止，如圖 6-8 所示。. 圖 6-8 緊急狀況解除畫面附帶一提，途中若想與監控台聯繫可按下按鈕 5，即可與監控台進行語音通話，按下按鈕 6 掛斷，如圖 6-9。欲停止程式按下 Power Off，即跳出程式執行，如圖 6-10。. 圖 6-9 語音通話與結束畫面. 44.

(57) 圖 6-10 Power Off 跳出執行畫面二、監控 Server 端的運作情形當嵌入式移動車載系統尚未與監控台連線時，則監控台所呈現的為 Listening 狀態，如圖 6-11 所示. 圖 6-11 監控台處於 Listening 狀態畫面. 等到 GPRS 初始化完畢之後，隨即從 GPS 接收訊號，透過 GPRS 上傳到網路上，此時，監控端即可將車子的編號以及事件顯示在操作介面上如圖 6-12。 45.

(58) 圖 6-12 車載端透過 GPRS 登入監控台的畫面緊接著，車載端開始將 GPS 定位數據資料回傳至監控台，監控台在接收到 GPS 資料後，則將顯示接收的資料先顯示在行車資訊記錄中，如圖 6-13，而定位資料會存於資料庫(Data Base)中，以便日後可以作查詢、監控等用途。. 圖 6-13 監控台行車資訊紀錄. 由圖 6-13 可看出定位資料皆定時回傳至監控台，中間並無間斷的傳輸，證明此實驗架構為可行，最後再把定位資料利用 GIS 地理資訊系統於電子地圖上顯示出來，可清楚看到定位在台科大的電子資訊大樓如圖 6-14，證明實. 46.

(59) 驗無誤。. 圖 6-14 台科大的電子資訊大樓實驗結果：在實際路測方面，路線規劃由台科大側門出發，中繼站為中正紀念堂、監察院，緊急訊號測試為台北科技大學，終點為復興南路與忠孝東路交叉口的 SOGO 百貨如圖 6-15。監控台接收數據資料並列於行車資訊紀錄，詳細情形如下所示：. 中繼點. 終點緊急狀況點. 中繼點起點. 圖 6-15 實際路測圖 47.

(60) 圖 6-16 地圖顯示出發點之畫面. 圖 6-17 地圖顯示中繼點之畫面. 48.

(61) 圖 6-18 地圖顯示中繼點之畫面. 圖 6-19 地圖顯示緊急狀況發生時位置之畫面. 49.

(62) 圖 6-20 地圖顯示終點之畫面. 由以上結果得知，即使是實際路測，嵌入式移動車載系統與監控台之間數據傳輸非常順暢，最後在地圖顯示的定位位置亦準確，已達到本文車輛監控系統之需求。但這只是侷限於此路線的測試而已，將來若要真正實現，則須對更多的路線進行測試。. 二、監控台多人連線測試. 實驗目的：觀察監控台於多人同時連線時，接收回傳數據資料之情形。. 實驗程序：嵌入式移動系統的連接與監控台初始的連線狀態，皆於前面展示過了，在此不加以贅述。本次的實驗著重於多人連線方面，因此不須傳回出發、中繼、目的地等訊號，只傳回連續的定位資料，並觀察監控台的接收情形。 50.

(63) 實驗結果：監控台多人連線測試之結果如圖 6-21 所示，結果證明多人連線於本系統之可行性。本次實驗僅以三人同時連線測試，但實際的車輛有可能上百台、上千台，因此未來若要實現，仍需更進一步的測試。. 圖 6-21 監控台多人連線測試畫面. 51.