班車(chē)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 煜，張洪碩，丁 陽(yáng)

(大連民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116650)

隨著智慧校園與智能移動(dòng)設(shè)備的普及和發(fā)展，人們對(duì)于高校后勤工作的需求日益增加，例如班車(chē)實(shí)時(shí)管理。主要原因之一是在極端天氣下，會(huì)造成班車(chē)延誤，教師們等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，班車(chē)是否過(guò)站及是否正常運(yùn)行不明確等。

通過(guò)對(duì)班車(chē)實(shí)時(shí)定位的深入研究，解決包括硬件設(shè)計(jì)、GPS信號(hào)處理、實(shí)時(shí)定位、班車(chē)軌跡精確匹配等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種由STM32F103單片機(jī)、SIM7600CE模塊集成的終端和新型的班車(chē)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、異常數(shù)據(jù)處理、軌跡壓縮算法、軌跡平滑算法等來(lái)實(shí)現(xiàn)班車(chē)歷史軌跡的繪制，并使用企業(yè)微信平臺(tái)來(lái)呈現(xiàn)班車(chē)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的應(yīng)用效果。本項(xiàng)目的研究一方面解決了教師日常等班車(chē)的難題，另一方面推動(dòng)了智慧校園的建設(shè)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

如果能夠?qū)崟r(shí)采集班車(chē)的運(yùn)行位置，并通過(guò)手機(jī)顯示，那么教師們就可以方便的查看班車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，獲取班車(chē)的位置信息，以便決定繼續(xù)等待還是選擇乘坐其他的交通工具。本文設(shè)計(jì)了一種主要由STM32F103 單片機(jī)、SIM7600CE模塊集成的終端和新型的班車(chē)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，通過(guò)企業(yè)微信平臺(tái)，來(lái)查看車(chē)輛的實(shí)時(shí)定位。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)的架構(gòu)主要分為三個(gè)部分：車(chē)載終端、服務(wù)器、手機(jī)端，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

車(chē)載終端放置在班車(chē)上，上面帶有GPS模塊，用來(lái)接收衛(wèi)星信號(hào)，獲取車(chē)輛的經(jīng)緯度信息，并通過(guò)GPRS傳至服務(wù)器，如果信號(hào)強(qiáng)度不高，會(huì)向服務(wù)器發(fā)送LBS基站定位，保證車(chē)輛定位的準(zhǔn)確性。手機(jī)端通過(guò)企業(yè)微信這一平臺(tái)選擇班車(chē)定位，定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器返回當(dāng)前的車(chē)輛經(jīng)緯度，并實(shí)時(shí)顯示班車(chē)的地理位置、實(shí)時(shí)速度等。

2 車(chē)載終端

2.1 硬件設(shè)計(jì)

車(chē)載終端主要是由STM32F103 單片機(jī)、GSM模塊、GPS模塊、SIM7600CE模塊、電源模塊等組成。STM32F103 單片機(jī)是由ST廠商推出的STM32系列單片機(jī)，相比于51單片機(jī)，性能高、成本低，在功耗和集成度方面也有所提高，基本上接近于計(jì)算機(jī)的CPU，適用于本文設(shè)備使用。電源模塊采用5V的USB接口即可。其中GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線(xiàn)路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊，通過(guò)GSM模塊連接4G信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)包。SIM7600CE模塊集成了大大小小的端口，常用的端口有COM17、COM5、COM14，它是一款新型無(wú)線(xiàn)模塊，并且功耗很低。SIM7600CE與單片機(jī)是通過(guò)COM17串口通信的，COM5串口主要用來(lái)與 PC 通信，實(shí)現(xiàn)AT指令控制芯片實(shí)現(xiàn)功能，GPS 模塊采集的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)COM14串口直接發(fā)送到上位機(jī)。車(chē)載終端的工作原理是：GPS 模塊采集車(chē)輛的經(jīng)緯度信息，通過(guò) COM14串口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)COM17串口發(fā)送給SIM7600CE模塊，SIM7600CE模塊通過(guò)GSM模塊采用 GPRS 方式發(fā)送到遠(yuǎn)端的服務(wù)器。

2.2 GPS信號(hào)處理

2.2.1 GPS定位+LBS基站定位

終端連接上網(wǎng)后，分兩種情況，通過(guò)心跳包來(lái)判斷，如果信號(hào)強(qiáng)的話(huà)采用GPS定位， GPS模塊每隔固定的周期就會(huì)返回以字符‘＄’開(kāi)頭的一定格式的數(shù)據(jù)，即：

＄GPRMC,<1>,<2>,<3>，<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh。

(1)

式中： GPRMC 代表推薦的最小定位信息；<1>代表時(shí)間，東八區(qū)需要加8小時(shí)的時(shí)差；<2>代表定位狀態(tài)，如果為 A，則表示定位有效，數(shù)據(jù)可以使用，如果為 V，表示定位無(wú)效，數(shù)據(jù)舍棄；<3>代表緯度；<4>代表緯度半球；<5>代表經(jīng)度；<6>代表經(jīng)度半球；<7>代表地面速率。其中，經(jīng)緯度為度度分分.分分分分(ddmm.mmmm)；格式<8>代表地面航向；<9>代表日期； <10>代表磁偏角；<11>代表磁偏角方向； <12>代表校驗(yàn)和。

當(dāng)終端丟失信號(hào)時(shí)，采用LBS定位，基于基站位置的定位[1]。一種通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)電通訊網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)終端用戶(hù)最近的基站位置的定位技術(shù)，三點(diǎn)法定位原理是進(jìn)行基站定位的最常用技術(shù)，即當(dāng)信號(hào)丟失時(shí)，通過(guò)計(jì)算三個(gè)基站的信號(hào)差異，就可以判斷出終端所在的位置。三點(diǎn)代表三個(gè)基站，選擇基站時(shí)隨機(jī)選擇可涵蓋終端的定位基站，它們之間并無(wú)密切聯(lián)系，相對(duì)獨(dú)立。只要終端處于基站的有效范圍之內(nèi)，即可以隨時(shí)進(jìn)行位置定位，而不受天氣、高樓、位置等等的影響，符合業(yè)務(wù)需求，所以本文主要采用了三點(diǎn)法定位原理定位移動(dòng)基站與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。步驟如下：

(1)檢測(cè)GPS信號(hào)，檢測(cè)心跳包發(fā)射間隔；

(2)GPS信號(hào)弱或者丟失，采用基站定位；

(3)SIM7600CE模塊采用三點(diǎn)法原理獲取終端定位信息。

(4)終端獲取定位信息，發(fā)送LBS數(shù)據(jù)包，返回LBS的相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，即：

＄CLBS:,,[[,],[]]。

(2)

式中：代表獲取數(shù)據(jù)類(lèi)型，type=1是獲取經(jīng)緯度格式的數(shù)據(jù) ，type=2是獲取詳細(xì)地址，type=3是獲取時(shí)間，type=4獲取經(jīng)緯度和時(shí)間，type=9返回位置錯(cuò)誤信息；代表設(shè)備號(hào)，用來(lái)表示設(shè)備的唯一；、代表基站定位返回的經(jīng)緯度；[]代表返回坐標(biāo)的類(lèi)型，0是WGS84類(lèi)型，1是GCJ02類(lèi)型。

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

當(dāng)定位終端發(fā)送數(shù)據(jù)包后，系統(tǒng)端接收到GCJ-02數(shù)據(jù)，在地圖顯示時(shí)需要WGS-84格式的坐標(biāo)軸信息，不同的格式坐標(biāo)系之間要再進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足地圖實(shí)時(shí)顯示的需求，這里采用的是GCJ-02坐標(biāo)系轉(zhuǎn)WGS-84坐標(biāo)系[2]。longcj代表gcj02坐標(biāo)系下經(jīng)度，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化原理Longcj-105.0的經(jīng)度作為lon，經(jīng)度偏移量

。(3)

同理，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化原理Latgcj-35.0的緯度作為lat，緯度偏移量

(4)

本文地球的長(zhǎng)半軸(即赤道的半徑)a為6 378 245，短半軸(極半徑)b為6 356 775，利用上述公式(5)用來(lái)確定扁率e，e代表地球的扁平程度，進(jìn)一步為轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。扁率公式

(5)

進(jìn)一步通過(guò)公式(5)，求得相對(duì)于WGS-84轉(zhuǎn)移后的坐標(biāo)偏移

(6)

最后利用公式(3)、公式(4)和公式(6)得到WGS-84坐標(biāo)下的經(jīng)度

(7)

同理，WGS-84坐標(biāo)下緯度latwgs如下表示，

(8)

2.2.3 異常數(shù)據(jù)處理

在處理數(shù)據(jù)中，由于多路徑效應(yīng)、復(fù)雜環(huán)境以及 GPS 芯片質(zhì)量參差不齊的影響，接收到的 GPS 數(shù)據(jù)都會(huì)含有噪聲[3]，只有處理過(guò)的 GPS 數(shù)據(jù)才能向用戶(hù)展示。這里采用了兩種算法進(jìn)行比對(duì)優(yōu)化。第一種基于幾何距離的算法，多應(yīng)用于LBS定位。如果兩點(diǎn)的坐標(biāo)為(A1，B1)、(A2，B2)，首先A0代表兩點(diǎn)間坐標(biāo)的橫坐標(biāo)的中點(diǎn)，即

(9)

同理，

(10)

根據(jù)公式(9)～(10)，f為兩點(diǎn)間的弧長(zhǎng)，其表達(dá)式

(11)

根據(jù)球面空間原理可以計(jì)算出目標(biāo)兩點(diǎn)的最小球面距離

d=2Rsin-1f。

(12)

式中：R為地球半徑。假設(shè)數(shù)據(jù)接收間隔時(shí)間為t，物體移動(dòng)速度為v，則時(shí)間間隔內(nèi)目標(biāo)移動(dòng)的距離為D=vt。

最后直接將d和D進(jìn)行比較：這兩個(gè)值應(yīng)該是在相同趨勢(shì)下震蕩，當(dāng)趨勢(shì)偏離較大時(shí)就可認(rèn)為這是一個(gè)噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。

第二種基于速度約束的漂移點(diǎn)判定[4]，計(jì)算過(guò)程如下：

(2)對(duì)速度序列計(jì)算出整體的均值μ，以及方差σ；

(3)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的速度進(jìn)行判斷，若(vi-μ)2>3σ，并且vi>μ，則該點(diǎn)是一個(gè)噪點(diǎn)。

檢測(cè)到噪點(diǎn)之后反復(fù)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用過(guò)插值處理，發(fā)現(xiàn)效果并不理想，所以決定直接把噪點(diǎn)刪除。

3 數(shù)據(jù)服務(wù)處理

服務(wù)端與車(chē)載終端利用GPRS通過(guò)websocket建立連接，實(shí)時(shí)接收經(jīng)緯度信息，并進(jìn)行解析、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、服務(wù)器存儲(chǔ)，并且服務(wù)端響應(yīng)請(qǐng)求，返回班車(chē)經(jīng)緯度信息，最后進(jìn)行完數(shù)據(jù)處理后，存儲(chǔ)車(chē)輛、班車(chē)路線(xiàn)等基本信息。

3.1 軌跡的壓縮算法

當(dāng)數(shù)據(jù)取出來(lái)，進(jìn)行完噪點(diǎn)的去除，下一步就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮。一般軌跡數(shù)據(jù)會(huì)包含很多的密集的集中區(qū)域，稱(chēng)其為停留點(diǎn)。停留點(diǎn)包括兩種：因數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤而導(dǎo)致的坐標(biāo)完全一致的點(diǎn)；因數(shù)據(jù)源原地徘徊而產(chǎn)生的密集點(diǎn)。這里軌跡壓縮參考了道格拉斯-普克算法，具體就是將曲線(xiàn)近似表示為一系列點(diǎn)，并減少點(diǎn)的數(shù)量的一種算法[5]。該算法的原始類(lèi)型分別由烏爾斯·拉默于 1972 年以及大衛(wèi)·道格拉斯和托馬斯·普克于 1973 年提出，并在之后的數(shù)十年中由其他學(xué)者予以完善。道格拉斯-普克算法的計(jì)算過(guò)程如圖2。

圖2 道格拉斯-普克算法計(jì)算過(guò)程

(1)其中曲線(xiàn) 0 是原始數(shù)據(jù)，設(shè)置閾值距離為d，開(kāi)始循環(huán)；

(2)循環(huán)查找距離起始點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)c，其距離為b，判斷若b

(3)分別對(duì)前后兩段執(zhí)行迭代步驟2；

(4)得到最終結(jié)果。

另一方面普通的聚類(lèi)方法沒(méi)有考慮軌跡是時(shí)間序列的特征，因此聚類(lèi)效果不是很好，這里應(yīng)用了一種基于時(shí)間序列的軌跡聚類(lèi)算法。算法的執(zhí)行過(guò)程如下，流程圖如圖3。

圖3 聚類(lèi)算法流程圖

(1)定義密度閾值pnum，矩形半邊長(zhǎng)d，遍歷軌跡點(diǎn)ai；

(2)取出軌跡序列中的點(diǎn)ai，檢索其前后pnum個(gè)點(diǎn)內(nèi)在以ai為中心，以2d為邊長(zhǎng)的矩形A中的數(shù)量innum；

(3)如果innum

(4)如果innum>=pnum，將在范圍內(nèi)的點(diǎn)索引推入聚類(lèi)數(shù)組classi[]，再檢索ai前2pnum-前pnum和后pnum- 后2pnum點(diǎn)在A中的數(shù)量，并令pnum= 2pnum，并將在A中的點(diǎn)索引推入classi[]，再對(duì)其分別執(zhí)行步驟 3和步驟4;

(5)檢查i次循環(huán)的聚類(lèi)classi[0] 和 i-1 次數(shù)組classi-1[classi-1length-1]，如果classi[0]

(6)如果還有點(diǎn)則執(zhí)行步驟(1)-(5)，否則結(jié)束循環(huán)。

該算法具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 采用矩形作為查詢(xún)范圍，從而避免了大量的經(jīng)緯度距離計(jì)算;

(2) 利用軌跡是時(shí)間序列的特性，以當(dāng)前點(diǎn)為中心查詢(xún)前后一定范圍內(nèi)的點(diǎn)，減少循環(huán)次數(shù);

(3) 將相鄰的聚類(lèi)進(jìn)行合并可以提取更符合實(shí)際的停留點(diǎn)，檢測(cè)出停留點(diǎn)之后這里直接將停留點(diǎn)刪除。

3.2 軌跡的平滑算法

地圖展示歷史線(xiàn)路時(shí)，實(shí)踐證明拐點(diǎn)位置過(guò)渡特別生硬，沒(méi)有平滑過(guò)渡，為了達(dá)到更好的應(yīng)用效果，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2.1 均值濾波、中值濾波

由于終端定位時(shí)，信號(hào)波動(dòng)大，發(fā)送GPS和LBS兩種定位數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生步幅比較大的定位點(diǎn)，在軌跡顯示時(shí)認(rèn)定為干擾因素是噪點(diǎn)， 本文先進(jìn)行了均值濾波實(shí)驗(yàn)[6]。均值濾波方法是，對(duì)待處理的當(dāng)前點(diǎn)位，選擇一個(gè)模板，該模板為其鄰近的若干個(gè)點(diǎn)位組成，用模板的均值來(lái)替代原點(diǎn)位的坐標(biāo)的方法，計(jì)算公式為

(13)

式中：n代表樣本數(shù)量，f(x,y)代表樣本中每一點(diǎn)，x是橫坐標(biāo)，y是縱坐標(biāo)。

均值濾波算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快,但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)異常值較為敏感，如出現(xiàn)偏差較大的點(diǎn)使用均值濾波會(huì)對(duì)它相鄰的一些數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，即均值濾波對(duì)噪聲抑制效果不好。而后又進(jìn)行了中值濾波實(shí)驗(yàn)，中值濾波方法[7]是對(duì)待處理的當(dāng)前點(diǎn)位，選擇一個(gè)模板，該模板為其鄰近的若干個(gè)點(diǎn)位組成，與均值濾波不同的是，對(duì)模板的點(diǎn)位由小到大進(jìn)行排序，再用模板的中值來(lái)替代原點(diǎn)位的坐標(biāo)的方法。中值濾波抑制效果很好，軌跡走勢(shì)基本保持，對(duì)噪聲剔除效果明顯。優(yōu)化前的和優(yōu)化后線(xiàn)路對(duì)比如圖4。

a)噪聲優(yōu)化前效果圖 b)噪聲優(yōu)化后效果圖

3.3 坐標(biāo)吸附到主干道

在進(jìn)行數(shù)據(jù)繪制時(shí)，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)有的點(diǎn)在地圖上但不在軌跡上，也不在道路上，結(jié)果顯然不夠理想，為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的吸附[8]，參考了大量的匹配算法，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終采用了坐標(biāo)點(diǎn)匹配地圖的方法[9]，決定采用從周?chē)嬖诘穆分姓业皆擖c(diǎn)對(duì)于每個(gè)路線(xiàn)段的垂線(xiàn)在該路網(wǎng)線(xiàn)段的垂足，并計(jì)算垂足到該點(diǎn)的距離。找出最近的距離的垂足作為該點(diǎn)綁路的點(diǎn)，垂足坐標(biāo)如

(14)

式中：(x1,y1),(x2,y2)是路網(wǎng)上的點(diǎn)，(xi,yi)是要判斷的點(diǎn)，y坐標(biāo)和x坐標(biāo)對(duì)稱(chēng)，篩選選數(shù)據(jù)庫(kù)小數(shù)點(diǎn)后面兩位不一樣就拋棄，應(yīng)用匹配算法效果對(duì)比圖如圖5。

a)匹配算法應(yīng)用前效果

b)匹配算法應(yīng)用后效果圖

3.4 客戶(hù)端

系統(tǒng)主要分為了用戶(hù)端(手機(jī))和管理后臺(tái)。用戶(hù)端界面如圖6。用戶(hù)登錄企業(yè)微信后可以選擇班車(chē)，在地圖定位界面會(huì)繪制出該路線(xiàn)車(chē)輛的運(yùn)行軌跡[10]，及車(chē)輛當(dāng)前的位置與時(shí)速，并定時(shí)進(jìn)行更新，用戶(hù)可以很方便地查看該線(xiàn)路班車(chē)信息。

圖6 手機(jī)客戶(hù)端

4 結(jié) 語(yǔ)

以現(xiàn)有班車(chē)為研究對(duì)象，針對(duì)班車(chē)的連續(xù)精確定位進(jìn)行了深入研究。基于班車(chē)連續(xù)高精度定位的目標(biāo)，提出了新型班車(chē)實(shí)時(shí)定位方案,并進(jìn)行了多線(xiàn)程并發(fā)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：新的定位方案能大幅降低定位誤差,可以在班車(chē)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)輸出可靠的定位信息,能滿(mǎn)足連續(xù)高精度的定位需求。這可以極大的解決學(xué)校教師人員乘坐班車(chē)的問(wèn)題，方便及時(shí)查詢(xún)車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，減少不必要的等待，滿(mǎn)足了教師們的實(shí)際需求。