基于WMMP协议的危险品运输车定位系统开发

杨生磊， 罗 勇， 杨世良

(郑州大学 电气工程学院 河南 郑州 450001； 2.中兴通讯有限公司 陕西 西安 710065)

基于WMMP协议的危险品运输车定位系统开发

杨生磊1，2， 罗 勇1， 杨世良1，2

(郑州大学 电气工程学院 河南 郑州 450001； 2.中兴通讯有限公司 陕西 西安 710065)

采用WMMP协议，设计了一套危险品运输车实时定位系统.该定位系统由车载定位终端和车辆监控中心服务器组成，车载定位终端对车辆实时信息进行采集和发送，监控中心服务器接收车辆定位信息并进行处理.通过监控中心GIS监控系统，可实时了解所监控车辆的运行情况，提高危险品运输的安全性.

WMMP协议； 定位系统； 电子地图； 地理信息系统； GPRS

0 引言

随着经济和社会的发展，危险品运输车日渐增多，对人群、环境的威胁越来越大[1].目前，我国的危险品运输方式处于起步阶段，大部分仍是采用传统普通货物的运输方法，危险品运输环节存在很多安全隐患，在运输过程中缺乏有效的监管手段，危险事故时有发生[2].

图1 WMMP协议栈Fig.1 WMMP protocol stacks

近年来,许多专家学者对危险品运输监控和管理进行了深入的研究.秦玉等[2]采用无线射频识别RFID以及GPRS /GPS技术和传感器技术研制出危险品集装箱状态信息实时监测系统.许松华[3]分析了危险货物运输车辆监控系统的关键技术,采用条形码作为货物信息存储单元,车载系统实时将货物种类和自身车速、GPS位置等信息上传给监控中心进行管理.沈立明等[4]在宝钢危险品运输车辆监控系统设计中提出运用GPS、GIS(地理信息系统)、GPRS网络技术对危险货物运输进行实时监控的方法.但是以上研究工作对危险品运输监控系统的具体实现和数据传输过程缺乏详细的设计，同时没有考虑货物运输过程中数据传输的安全性.作者基于此设计了基于WMMP(wireless machine management protocol，无线机器管理协议)协议的危险品运输车定位系统，对系统车载定位终端的软硬件实现和数据传输进行了详细的设计，采用WMMP协议来提高数据传输的安全性.WMMP协议是构建在UDP协议之上的应用层协议，目的是为了降低传输数据的丢包率，提高其可靠性，WMMP协议栈如图1所示.

本文的危险品运输车定位系统融合GPS、GPRS、GIS和GSM于一体，实现了对危险品运输车辆的实时动态监控.通过监控终端屏幕能在电子地图上清晰、实时地了解车辆位置，显示车辆的瞬时速度，同时能将每个驾驶员的超速纪录、违规路线等信息存储在中心数据库.该系统能准确监控运行中的危险品运输车辆，为及时掌控车辆运行状态，促进安全生产提供了有力的技术保障.

危险品运输车定位系统通过GPRS网络进行数据传输，但由于GPRS网络具有带宽较窄、延迟较大等缺点，因此不适于TCP协议进行通信[5].而基于无连接UDP协议传输，具有效率高、流量小、节省网络带宽等优点，缺点是没有确认机制，有可能造成丢包现象.基于上述情况，本文引入WMMP协议，通过对传输的数据进行3DES(triple data encryption algorithm，三重数据加密算法)加密[6]，在应用层实现了包确认和重传机制.根据实际测试，采用WMMP方式传输，丢包率能控制在1%以下.本文将WMMP协议应用到GPRS无线传输定位系统，由定位终端获得GPS模块数据，包括动态位置(经度、纬度、海拔、速度)、时间等信息，然后将信息依据WMMP协议进行3DES加密打包，通过GPRS实时发送到内嵌有WMMP协议的M2M(machine to machine，机器与机器之间通信)平台服务器，M2M平台服务器将数据通过Internet发送到车辆监控中心数据服务器上.车辆监控中心将得到的数据在GIS的电子地图上进行定位终端运动轨迹显示，并可对定位终端的位置、速度、运动方向和状态进行实时的监控和查询.同时，车辆监控中心也可以向定位终端发送指令，实现整个系统的交互式运作.该系统可以保证车辆始终处于监控中心的监控视野内，为提高车辆的运输安全提供了保障.

1 工作原理与功能

危险品运输车定位系统主要由车辆监控中心、M2M平台服务器、车载定位终端和GPS定位系统四个部分组成，如图2所示.

车载定位终端将车辆的坐标位置、即时速度、海拔、时间等信息进行3DES加密，按WMMP传输协议格式封装成数据包,由GPRS通信模块经中国移动无线通讯网发送到中国移动的无线M2M服务平台，再由M2M平台经由Internet上传至监控中心.监控中心服务器将该数据包进行3DES解密，然后解析处理，并结合GIS进行地图匹配，可在电子地图上清晰地显示当前监控终端的地理位置、速度等信息.同时将终端的运动及状态信息存储到监控中心数据库服务器，作为事故事后处理依据.

2 定位终端硬件设计

定位终端主要由嵌入式CPU、GPS接收机模块、GPRS通信模块、TF卡模块、手柄模块、摄像头模块等组成.由于定位终端需要完成GPS数据处理、WMMP通信、摄像头拍照、3DES加解密运算等比较复杂的功能，同时考虑到硬件所需的IO口数量和串口数量，选用STM32F103VBT6作为处理器芯片.它是意法半导体(ST)生产的使用ARM®CortexTM-M3 32位的RISC内核的高性能嵌入式处理器，可满足系统功能需求.整个定位终端硬件结构如图3所示.

图2 危险品运输车监控系统结构Fig.2 Structure of dangerous goods vehicle monitoring and control system

图3 定位终端硬件结构图Fig.3 Hardware structure of locating terminal

2.1GPRS模块接口电路设计

在定位终端中，使用华为公司的GPRS模块EM310完成与监控中心的通信功能，该模块内嵌了TCP/IP协议栈和扩展的TCP/IP的AT指令集，方便用户进行数据传输的开发[7].STM32F103通过USART3与EM310模块连接，为了保证传输数据的准确性，采用4线制串口实现大量数据的传输.由于EM310的RST管脚对干扰比较敏感，在PCB布线时不能超过2 cm，以免受到干扰而导致模块非正常复位.EM310模块的VDD-IO管脚是漏极开路输出，为串口通信提供参考电平，所以一定要将其接到定位终端系统的VCC(3.3 V)上.另外EM310模块的扬声器接口和麦克风接口与手柄上的扬声器和麦克风相连，实现了车载定位终端的电话功能.GPRS接口电路如图4所示.

处理器通过置低GPRS_TERM_ON引脚电平100 ms来控制EM310模块开机.GPRS_RST是复位引脚，GPRS_CTS是处理器控制EM310模块清除发送引脚,GPRS_RTS是请求EM310模块发送数据引脚，GPRS_RI是EM310模块振铃指示引脚.

图4 GPRS模块接口电路Fig.4 Interface circuit of GPRS module

2.2GPS模块接口电路设计

该定位终端采用的是MTK方案的GPS接收机GS-89，该模块由韩国Gstar公司生产，采用SiRF StarIII高性能GPS芯片组，定位精度可以达到10 m以内.STM32F103通过USART2跟GS-89接口相连(图5).GPS接收机要计算出二维坐标至少需3颗卫星，而至少4颗卫星才能计算出三维坐标.GPS定位采用测距交汇定位方法，GS-89模块在某一时刻接收到3颗以上卫星的导航电文信号，就可实现对GPS卫星的跟踪、锁定和测量，这些数据经过模块内部的处理器计算出GS-89中心的数据信号，生成符合NMEA-0183格式的数据，经由USART2传输到STM32F103进行处理.

2.3终端手柄模块

终端手柄模块主要包括数字按键、LCD显示、麦克风、耳机接口、扬声器等几个功能部分.手柄模块主要是实现定位终端的人机交互功能，手柄通过串口用连接线与处理器进行通讯.手柄上的按键有数字键盘、接听电话、挂断电话按键；LCD显示屏可以显示车辆的位置坐标、速度、海拔、方向、接收信号强度和键盘输入数据信息.手柄上安装的麦克风、扬声器和耳机接口通过连线与GPRS模块进行连接，主要实现通过GPRS模块接打电话的功能.

图5 GPS模块接口电路Fig.5 Interface circuit of GPS module

图6 M2M平台短连接工作流程图Fig.6 Work flow chart of short link of M2M platform

3 定位终端软件设计

3.1M2M服务器平台工作流程

GPRS与M2M平台之间的通信有两种连接方式：长连接和短连接.本系统由于传输的数据量不是太大，为了节省带宽，采用短连接方式.短连接是指通信双方需要数据交互时，就建立一个WMMP过程，数据发送完成后，则断开此WMMP过程.短连接由于数据的交互在较短的时间内完成，可以不需要心跳包来维持链路，但仍然需要通过心跳包告知M2M平台它的运行状态，以便进行监控和故障报警[8].

定位终端与M2M平台通信工作流程如图6所示.

车载终端与M2M服务平台通信需要采用符合WMMP协议的报文格式进行通信.通信报文结构如表1所示.

3.2WMMP协议中的3DES算法

为了提高数据传输的安全性，WMMP协议中采用3DES算法对数据进行加密.DES加密算法采用56位长的密钥与64位分组的明文，按位替换或交换的方法形成密文组进行加密.DES加密算法加密流程如图7所示.

表1 WMMP通信报文结构

图7 DES加密流程图Fig.7 Flow chart of encryption algorithm based on DES

3DES是以DES为基本模块，通过组合分组方法设计的一种分组加密算法，它是用3条56位的密钥对数据进行3次加密，使数据更安全[9].3DES的加密过程如图8所示：首先用密钥K1对明文进行DES加密，其次用密钥K2对上面的结果进行DES解密，最后用密钥K3对上一步骤的结果进行DES加密生成密文.3DES的解密过程则与加密过程相反.危险品运输车定位系统进行WMMP通信时采用3DES加密算法对传输数据进行加密，保证了数据的安全性.

3.3定位终端软件架构

定位终端软件主要负责完成GPS信号的解析并打包，GPRS通信模块与M2M平台的数据通信，与手柄交互通信，将定位数据信息存储到TF卡中，根据监控中心的指令对监控车辆特定部位进行拍照等.定位终端软件共分为4个部分：GPS数据解析，GPRS数据传输，摄像头拍照，TF卡数据存储.定位终端软件流程如图9所示.

图8 3DES算法加解密流程图Fig.8 Flow chart of encryption and decryption based on 3DES

图9 定位终端软件流程图Fig.9 Flow chart of locating terminal software

3.4GPS数据的获取和解析

GS-89模块的输出内容采用NMEA-0183标准格式，数据代码是ASCⅡ码字符，包括六种不同的数据帧，不同的数据帧的帧格式和帧头都不同，帧内信息段之间采用逗号隔开，各帧均以回车换行符作为帧尾，标识一帧的结束.GPS的经纬度、时间、对地速度、海拔高度等信息可以从“$GPGGA”和“$GPRMC”两种数据帧中解析出来.这两种帧数据在程序中通过USART2的串口接收中断程序来完成.USART2的串行接收中断子程序流程如图10所示.

GPS数据解析流程如图11所示.“$GPGGA”帧信息中包含有时间、经度、纬度和海拔高度等定位信息.“$GPRMC”帧信息中包含有日期、对地速度和方向等信息.使用函数GetGpsInfo来解析GPS数据信息.该函数的输入参数pGGAFrame是存储“$GPGGA”帧的缓冲区首地址,pRMCFrame是存储“$GPRMC”帧的缓冲区首地址，pGpsInfoFrame为解析后的GPS信息帧所存储的缓冲区的首地址.GPS信息解析成功函数返回值为NULL，解析不成功返回值为非NULL.

解析后的信息包有些数据长度不确定，为了减少监控中心的解析错误，信息包的每个信息段都采用逗号结尾.这样做虽然增大了数据量，但提高了监控中心数据解析正确性.由于危险品运输车是受监控的动态目标，监控中心需要实时的监控车辆，必须获得车辆的空间位置和运行速度，同时根据GPS数据格式的特点组织GPS信息包，其结构如表2所示.

表2 GPS信息包结构

图10 USART2的串行接收中断子程序流程Fig.10 Flow chart of interrupt sub-program of USART2 serical receiving

图11GPS数据解析流程图图12网络连接流程图

Fig.11Flow chart of GPS data analyzingFig.12Flow chart of network connecting

3.5GPRS模块数据收发

处理器通过置低GPRS_TERM_ON 引脚的电平100 ms，可以触发GPRS模块开机，然后通过发送AT指令进行网络连接和数据发送.在执行AT%IPOPEN指令打开远程网络连接时，若连接失败，将有可能导致模块长时间无响应(等待AT%ETCPIP的返回，此时协议栈已经毁坏，需要重新启动模块)[10].对此情况，可以采取2种解决方案：一是在给定时间内无响应时将模块重启，再重新运行程序，其优缺点显而易见；二是利用AT%IPCONF指令设置返回时间，使得AT%IPCONF在给定时间内强行结束.这样又带来一个新问题是连接成功率的下降.本文采用第二种方案，同时在连接失败时循环重连，在一定程度上解决了这个问题.具体的的网络连接顺序如图12所示.

3.6WMMP协议通讯帧结构分析

定位终端通过M2M服务平台与监控中心之间建立短连接.连接结束，定位终端通过向M2M服务平台定时发送心跳包通知M2M平台链路的连接状态.由于定位终端和监控中心之间有建立连接、终止连接、数据传输等信息交换要求，因此，根据WMMP协议要求，制定了应用层相应通信帧.WMMP通讯格式为帧头2字节、帧类型1字节、帧体可变和帧尾2字节.

帧类型主要包括数据帧、命令帧和应答帧3种.数据帧，是定位终端向监控中心发送的车辆状态信息，其帧体包含帧长度2字节，GPS信息包可变，CRC检验2字节；命令帧，是监控中心对车辆发出的指令，命令帧没有帧体；应答帧，是对传输的指令和数据信息的应答，其帧体长度为1个字节，0x00表示传输正确，0x01表示传输不正确.

数据帧帧体中的GPS信息包包含有危险品运输车的时间和状态信息，监控中心根据对GPS信息包的解析可以知道在该时间点危险品运输车的经纬度位置、海拔高度和运行速度，既可实时掌握车辆的运行情况，又可以查询车辆历史运行轨迹.

4 监控中心系统设计

图13 监控中心软件流程Fig.13 Software flow chart of monitoring center

监控中心主要由数据通信服务器、数据库服务器、Web-GIS服务器、监控终端等部分构成，完成监控中心对受监控车辆的实时监控需要[11-12].通信服务器主要完成数据接收、数据解析、命令合成和数据发送工作.数据库服务器用来存储GPS数据、人员和车辆信息.Web-GIS服务器完成地图匹配和Web网页生成工作.监控终端安装有各类管理软件，完成对整个系统的管理和监控界面的显示工作.监控中心软件流程如图13所示.在监控终端可以查询受监控车辆的历史行驶路径和驾驶人员情况，也可以通过监控终端向受监控车辆发送控制指令，实现对车辆合理调度.

该系统经过调试与行车测试，监控中心能够实时准确获取被测试车辆的状态信息，并通过监控中心的监控终端在地图上显示被监控车辆的位置，可通过查询条件查询车辆的历史运动轨迹.车载定位终端在开机30 s后就可与监控中心管理平台建立UDP/IP连接，每隔30 s向监控中心管理平台发送一次GPS定位信息，监控中心的监控终端可在地图上显示车辆的具体位置.在测试过程中对航天无线1号运输车的运行轨迹进行查询，查询时长60 min，定位时间间隔设定为5 min，查询结果如图14所示.

图14 监控终端的测试画面Fig.14 Test picture of monitoring terminal

5 结束语

危险品运输车定位系统包括车载定位终端和监控中心，采用WMMP协议和3DES加密算法进行通信，实现监控中心对危险品运输车的实时监控功能.车载定位终端硬件采用ARM处理器，具有比普通单片机更快的速度和数据处理能力，可稳定地实现WMMP通信和3DES加密算法.定位终端软件采用WMMP通信和3DES算法进行加密，可以保证数据传输的可靠性和安全性.该危险品运输车定位系统经过实际测试，监控中心的GIS系统能够有效掌握监控车辆的即时运行信息，定位终端与监控中心数据通讯的丢包率低于1%，系统设计合理，可靠性强，具有很高的实用价值.

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DevelopmentofLocationSystemforDangerousGoodsVehicleBasedonWMMP

YANG Sheng-lei1,2, LUO Yong1, YANG Shi-liang1,2

(1.SchoolofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.ZTECorporation,Xi’an710065,China)

A real-time location system for dangerous goods vehicle was designed by using WMMP protocol.This system was consisted of vehicle location terminal and vehicle monitoring center servers.The real-time information was collected and transmitted by vehicle location terminal.The vehicle location information was

and processed by monitoring center server. So it could instantly understand the operation of the monitored vehicle by the GIS monitoring system.The safety for transporting dangerous goods was improved by this system.

WMMP;positioning system;electronic map;GIS;GPRS

TP 277

A

1671-6841(2011)04-0048-08

2011-01-15

杨生磊(1978-)，男，硕士研究生,主要从事嵌入式系统开发研究，E-mail：398528417@qq.com；通讯作者： 罗勇(1977-)，男，副教授，博士，主要从事嵌入式系统研究.