采用一種基于Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)的物流車載終端設(shè)計(jì)方案。在此方案中集成了電子地圖、GPS定位、GPRS無(wú)線通信、熱敏打印機(jī)、電子秤等功能。文中給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果。

關(guān)鍵詞? 物流 ?車載終端? 電子地圖 ?GPS定位? GPRS通信? Windows CE

　　物流在現(xiàn)代社會(huì)中正扮演著越來(lái)越重要的角色。但是，與國(guó)外技術(shù)密集型的物流行業(yè)相比，國(guó)內(nèi)物流行業(yè)在信息化、智能化程度上還存在著較大差距。鑒于這樣一種狀況，本文提出了一個(gè)基于Windows CE平臺(tái)的物流車載終端設(shè)計(jì)方案。該物流車載終端以Liod評(píng)估板（簡(jiǎn)稱為“Liod板”）為硬件平臺(tái)，在嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE上實(shí)現(xiàn)的功能有：電子地圖，實(shí)現(xiàn)地圖4級(jí)縮放、平移、歸中功能；無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)終端與控制中心的GPRS無(wú)線通信；GPS定位，定位車載終端當(dāng)前的位置；稱重與打印，讀取電子秤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)票據(jù)的打印；語(yǔ)音提示，提供更好的人機(jī)交互功能。

1? 軟硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介

　　本車載終端以Liod板為硬件平臺(tái)。Liod板的核心PXA270是一款屬于Intel XScale微架構(gòu)的高性能、低功耗嵌入式處理器。在本設(shè)計(jì)中要用到的主要有LCD、觸摸屏、以太網(wǎng)接口、全功能串口、音頻接口等。本設(shè)計(jì)方案采用Windows CE作為軟件平臺(tái)。Windows CE是一種針對(duì)小容量、移動(dòng)式、智能化設(shè)備的多任務(wù)、搶占式、模塊化實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE具有與桌面Windows幾乎完全兼容的API接口，為了配合Windows CE上的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，微軟公司推出了eMbedded Visual C++（簡(jiǎn)稱“eVC”）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)采用的是eVC 4.0。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　在Liod板的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了部分外圍電路。根據(jù)Liod板提供的硬件資源和系統(tǒng)需要使用的硬件情況，硬件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計(jì)和電子秤硬件電路設(shè)計(jì)。

　　無(wú)線通信設(shè)備采用GPRS Modem。該GPRS Modem通過(guò)Liod板的串行口COM1發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；GPS定位采用12通道定位模塊GARMIN15L；打印機(jī)采用TD58熱敏打印機(jī)；電子秤采用應(yīng)變片壓力傳感器結(jié)合C8051F020單片機(jī)自行開(kāi)發(fā)；語(yǔ)音提示模塊直接使用Liod板提供的音頻接口。由于GPS接收模塊、熱敏打印機(jī)、電子秤都要通過(guò)串行口與Liod板通信，Liod板原有的串口數(shù)量已經(jīng)無(wú)法滿足要求，因此采用ZNE100T以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，把Liod板的以太網(wǎng)口擴(kuò)充成3個(gè)串行口。系統(tǒng)的硬件連接如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)硬件連接示意圖

2.2? 以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口電路

　　該電路的核心轉(zhuǎn)換部分采用ZNE100T網(wǎng)絡(luò)模塊。經(jīng)過(guò)該電路的轉(zhuǎn)換，對(duì)串口的操作映射為通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。ZNE100T模塊引腳定義如表1所列。

表1? ZNE-100T模塊引腳定義

　　上述引腳中，GPIO0~GPIO4是可控制通用I/O口。在功能板的設(shè)計(jì)中，使用了3個(gè)RS232串口分別發(fā)送和接收電子秤數(shù)據(jù)、打印機(jī)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用帶有使能控制信號(hào)的MAX3221電平轉(zhuǎn)換芯片選擇要使用的串口，具體做法是將GPIO0~GPIO2分別連接到3個(gè)MAX3221的使能端（EN），這樣就可以通過(guò)軟件來(lái)選擇需要的串口。使能端均為低電平有效，當(dāng)有一個(gè)串口的使能端為0時(shí)，其他兩個(gè)串口使能端必須為1。

2.3? 電子秤硬件設(shè)計(jì)

　　電子秤使用應(yīng)變片壓力傳感器、AD8221運(yùn)算放大器和C8051F020芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。電子秤硬件電路框圖如圖2所示。

圖2? 電子秤硬件電路框圖

　　物品重量通過(guò)應(yīng)變片壓力傳感器轉(zhuǎn)換成比較微弱的電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD8221運(yùn)算放大器放大，送到C8051F020的ADC1轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去，同時(shí)在擴(kuò)展板的液晶顯示屏上顯示重量。電子秤的UART0和PC串口都使用9 600 bps的波特率。

　　C8051F020的ADC1轉(zhuǎn)換器是8位的，因此轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是0~255。電子秤的分辨率為20 g，最大稱量量程是5.1 kg。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 電子地圖

　　電子地圖模塊采用柵格圖像實(shí)現(xiàn)。柵格圖像又稱“位圖”，由像素點(diǎn)組成。與矢量圖像不同，柵格圖像在用作電子地圖時(shí)需要在地圖元素和數(shù)據(jù)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　首先對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。假設(shè)有一個(gè)形狀為嚴(yán)格矩形的地圖，其像素坐標(biāo)原點(diǎn)為(0,0)，地圖X軸方向上的寬度假設(shè)為W個(gè)像素點(diǎn)，Y軸方向的高度假設(shè)為H個(gè)像素點(diǎn)，某個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)為(x,y)，則定義該像素點(diǎn)的歸一化坐標(biāo)為(x/W,y/H)。這樣，地圖左上角的歸一化坐標(biāo)為(0.0,0.0)，右下角歸一化坐標(biāo)為(1.0,1.0)。把這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為“歸一化坐標(biāo)系”。

　　采用歸一化坐標(biāo)系可以簡(jiǎn)化柵格地圖的多級(jí)縮放。由于本終端要將車輛當(dāng)前的位置顯示在地圖上，而對(duì)于不同的地圖級(jí)別，地圖的分辨率是不一樣的。那么，當(dāng)?shù)貓D放大或縮小時(shí)，車輛對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)就會(huì)發(fā)生改變；但是，在GPS連續(xù)的兩次更新間隔之間，車輛在地圖上的歸一化坐標(biāo)是不會(huì)變化的。地圖放大或縮小后，只需要用新地圖的像素寬度乘以歸一化x坐標(biāo)，即可得到車輛在新地圖上的X軸像素坐標(biāo)；同理，可得車輛在新地圖上的Y軸像素坐標(biāo)。這樣，坐標(biāo)計(jì)算過(guò)程就可以統(tǒng)一起來(lái)。本設(shè)計(jì)中的電子地圖模塊統(tǒng)一采用歸一化坐標(biāo)系。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本終端的電子地圖支持4級(jí)縮放。設(shè)計(jì)中采用一幅大小為2 251×1 557、格式為BMP的成都地圖作為原始地圖，即所能支持的最大分辨率的地圖。把縮小8倍以后的地圖作為所能支持的最小分辨率地圖,因此地圖級(jí)別與放大倍數(shù)之間具有如表2所列的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2? 地圖級(jí)別與放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　程序啟動(dòng)時(shí)將所有位圖文件載入內(nèi)存，以加快響應(yīng)速度。此后，當(dāng)執(zhí)行放大或縮小地圖的操作時(shí)，則將相應(yīng)的位圖顯示在屏幕上;同時(shí),根據(jù)新的位圖大小和車輛的歸一化坐標(biāo)計(jì)算出車輛在地圖的像素位置，并將車輛位置在地圖上顯示出來(lái)。

　　就車載終端而言，所覆蓋的地理范圍相對(duì)地球半徑來(lái)說(shuō)幾乎無(wú)窮小，故可以認(rèn)為該電子地圖所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)是線性變化的，即地圖坐標(biāo)和GPS坐標(biāo)之間近似為線性映射關(guān)系。此線性映射關(guān)系的原理如圖3所示。

圖3? 經(jīng)緯度坐標(biāo)線性映射示意圖

　　由于GPS得到的是當(dāng)前車輛的經(jīng)緯度坐標(biāo)，而電子地圖模塊使用的是歸一化坐標(biāo)系，因此需要在兩種坐標(biāo)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此轉(zhuǎn)換過(guò)程是依靠地圖左上角點(diǎn)和右下角點(diǎn)這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此首先需要求得地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)。有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)以后，當(dāng)從GPS硬件模塊讀取到經(jīng)緯度坐標(biāo)時(shí)，根據(jù)近似的線性映射關(guān)系，就可計(jì)算出該坐標(biāo)在地圖上的歸一化坐標(biāo)，由此可得相應(yīng)的像素點(diǎn)坐標(biāo)，即可將車輛位置顯示出來(lái)。

表3? 參考點(diǎn)數(shù)據(jù)

表4? 參考點(diǎn)數(shù)據(jù)文件格式定義

　　對(duì)于地圖左上角點(diǎn)和右下角點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)的求取，通過(guò)實(shí)際測(cè)量的方法是很難做到準(zhǔn)確無(wú)誤的。因此本設(shè)計(jì)采用一種間接的方法來(lái)求得地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

　　假設(shè)在地圖邊界內(nèi)部有兩個(gè)任意點(diǎn)，把這兩個(gè)點(diǎn)稱為“參考點(diǎn)”，并且已知這兩個(gè)參考點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、歸一化x坐標(biāo)、歸一化y坐標(biāo)；設(shè)參考點(diǎn)1的這4個(gè)參數(shù)為point1=(lon1, lat1, x1, y1)，參考點(diǎn)2的這4個(gè)參數(shù)為point2=(lon2, lat2, x2, y2)，即point1和point2已知。根據(jù)前面的說(shuō)明可知，左上角點(diǎn)的歸一化坐標(biāo)為(0.0, 0.0)，而右下角點(diǎn)的歸一化坐標(biāo)為(1.0,1.0)。另外假設(shè)左上角點(diǎn)用pointTL表示，其經(jīng)緯度為lonTL和latTL；右下角點(diǎn)用pointBR表示，其經(jīng)緯度為lonBR和latBR（TL意即TopLeft，BR意即BottomRight），則有pointTL＝(lonTL,latTL,0.0,0.0)。同理，對(duì)于右下角的點(diǎn)有pointBR＝(lonBR,latBR,1.0,1.0)。

　　由于將經(jīng)緯度與地圖坐標(biāo)之間近似為線性映射關(guān)系，因此根據(jù)歐氏幾何原理可知，由已知的point1和point2，可以計(jì)算出pointTL和pointBR的未知參數(shù)：

　　可見(jiàn)，要得到地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)，只需要知道2個(gè)參考點(diǎn)的4個(gè)參數(shù)就可以了。在本系統(tǒng)中，實(shí)地采集了3個(gè)參考點(diǎn)，得到的數(shù)據(jù)如表3所列。

　　根據(jù)式（1）和式（2），上面的3個(gè)參考點(diǎn)之間兩兩結(jié)合可以求出一組左上角和右下角的經(jīng)緯度，總共可以有3種組合方案，也就是可以求得3組經(jīng)緯度值。然后，對(duì)這三組經(jīng)緯度取平均，以減小誤差，提高精度。

　　上述過(guò)程是在GPS數(shù)據(jù)處理模塊初始化過(guò)程中完成的。為了提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性，參考點(diǎn)數(shù)據(jù)都是存放在外部數(shù)據(jù)文件中的，因此，需要在程序啟動(dòng)時(shí)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中。為此，專門為參考點(diǎn)定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（gpx2xy.h）：

　　typedef struct tagMAPNODE {
　　　　double longitude;//經(jīng)度
　　　　double latitude;//緯度
　　　　double normCartX;//規(guī)一化x坐標(biāo)
　　　　double normCartY;//規(guī)一化y坐標(biāo)
　　}MAPNODE;//參考點(diǎn)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在.dat文件中

　　本設(shè)計(jì)定義了用于存儲(chǔ)參考點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)文件的格式，如表4所列。

　　上述工作完成之后，參考點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取就比較簡(jiǎn)單了?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和車輛位置的計(jì)算都只是簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算過(guò)程，容易實(shí)現(xiàn)。至于地圖的顯示和控制則需要通過(guò)Windows CE的API接口來(lái)完成。

3.2? GPRS模塊

　　本車載終端采用GPRS Modem與控制中心進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信，對(duì)GPRS Modem的控制和讀寫(xiě)通過(guò)串口進(jìn)行。由于與控制中心交互的數(shù)據(jù)種類較多，因此定義了相應(yīng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包格式。數(shù)據(jù)包的所有字段均采用單字節(jié)ASCII編碼且為固定長(zhǎng)度。在發(fā)送端，數(shù)值型字段需要在發(fā)送前格式化為定長(zhǎng)字符串再封裝到數(shù)據(jù)包中；在接收端，需要將數(shù)據(jù)包中的格式化字符串還原為數(shù)值型常量。數(shù)值型字段不足部分以字符“0”為前導(dǎo)字符進(jìn)行填充；字符型字段不足部分以空格（SPACE，0x20）為前導(dǎo)字符填充。字符串型字段的長(zhǎng)度不包括字符串結(jié)尾的NULL字符（在C語(yǔ)言中為0x00）。所有采用UNICODE編碼的字符數(shù)據(jù)在封裝到數(shù)據(jù)包中之前必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　定義的數(shù)據(jù)包主要有以下幾類：客戶端位置更新數(shù)據(jù)包；客戶端接件信息數(shù)據(jù)包；客戶端送達(dá)簽收數(shù)據(jù)包；服務(wù)器新任務(wù)數(shù)據(jù)包；客戶端確認(rèn)數(shù)據(jù)包；服務(wù)器確認(rèn)數(shù)據(jù)包；客戶端車輛故障數(shù)據(jù)包；客戶端道路堵塞數(shù)據(jù)包。

　　為了能夠正確解析數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)包都具有相同的包頭(head)，即數(shù)據(jù)包類型(packet type)、時(shí)間戳標(biāo)記(time stamp)、數(shù)據(jù)包順序號(hào)(packet sequence number)3個(gè)字段。當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包之后，根據(jù)包頭中的類型字段就能判斷該數(shù)據(jù)包主體部分的長(zhǎng)度，由此即可正確解析出包中的內(nèi)容。包頭之后是數(shù)據(jù)包主體(body)部分，不同數(shù)據(jù)包類型有著不同的字段和長(zhǎng)度。上述8種定義類型之外的數(shù)據(jù)包均為未定義類型，應(yīng)當(dāng)被丟棄。類型為NTSK、TMLF、RCNG的數(shù)據(jù)包需要接收端的確認(rèn)；而RECV、SEND、UPDT、CACK、SACK這5種類型的數(shù)據(jù)包不需要確認(rèn)。

　　GPRS Modem的數(shù)據(jù)傳輸與接收是通過(guò)串口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Windows CE平臺(tái)上的串口編程依賴于與文件相關(guān)的API接口：CreateFile()打開(kāi)串口，ReadFile()從串口讀取數(shù)據(jù)，WriteFile()向串口寫(xiě)入數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的到來(lái)是一個(gè)異步過(guò)程，因此還需要處理串口的異步事件：GetCommMask()取得串口已經(jīng)設(shè)置的事件，SetCommMask()設(shè)置串口事件集，WaitCommEvent()等待預(yù)先設(shè)置的串口事件集中的某一事件發(fā)生。

3.3? 稱重與打印模塊

　　該模塊實(shí)現(xiàn)了電子稱重和憑單打印功能。

　　由于采用ZNE100T以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊把Liod板的以太網(wǎng)口擴(kuò)充為3個(gè)串口，因此對(duì)外擴(kuò)的3個(gè)串口的訪問(wèn)是通過(guò)以太網(wǎng)口進(jìn)行的，這涉及Windows CE下的網(wǎng)絡(luò)編程。對(duì)外擴(kuò)串口的控制是通過(guò)向ZNE100T模塊的3003端口寫(xiě)入控制命令字來(lái)實(shí)現(xiàn)的；數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過(guò)ZNE100T模塊的4001端口實(shí)現(xiàn)的。

　　網(wǎng)絡(luò)編程接口采用的是Winsock1.1，采用面向連接的TCP協(xié)議。對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)采用了非阻塞的方式：寫(xiě)操作直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)到套接口的輸出緩沖區(qū)中；而數(shù)據(jù)的讀取因?yàn)槭且粋€(gè)異步過(guò)程，因此放在一個(gè)單獨(dú)的線程中完成。在此線程中定義了OnRead()、OnError()、OnDisconnect()回調(diào)函數(shù)，用于把線程中讀取到的數(shù)據(jù)遞交給上層或者處理讀取過(guò)程中發(fā)生的異常事件。

　　由于打印機(jī)、電子秤、GPS都是通過(guò)ZNE100T模塊進(jìn)行控制的，而Liod板提供的以太網(wǎng)口只有一個(gè)，因此在任何時(shí)刻都只能與打印機(jī)、電子秤、GPS三者中的一個(gè)通信，而其他兩個(gè)設(shè)備的串口則處于關(guān)閉狀態(tài)。這是通過(guò)向ZNE100T模塊的3003端口發(fā)送不同的控制命令字完成的。

　　對(duì)于稱重，只存在由C8051F020單片機(jī)向Liod板的單向數(shù)據(jù)傳輸，稱量的范圍為40 g~5 100 g，因此重量數(shù)據(jù)采用2個(gè)字節(jié)表示，單位為g。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確，除了2個(gè)字節(jié)的重量數(shù)據(jù)之外，還加入了幾個(gè)字節(jié)的冗余數(shù)據(jù)。電子秤的數(shù)據(jù)幀格式如下：

　　其中，0xAA 0x55作為起始標(biāo)記；結(jié)尾處的0x05既表明重量數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，也作為結(jié)束標(biāo)記。

　　就打印機(jī)而言，控制命令字和要打印的數(shù)據(jù)都在同一個(gè)數(shù)據(jù)流中發(fā)送給打印機(jī)，由打印機(jī)去區(qū)分命令和數(shù)據(jù)。由于Windows CE默認(rèn)支持的字符集是UNICODE字符集，因此輸出給打印機(jī)的字符需要轉(zhuǎn)換成多字節(jié)字符發(fā)送給打印機(jī)才能正確打印，這是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)C提供的wcstombs()庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

3.4? 語(yǔ)音提示模塊

　　考慮到配送人員在駕駛車輛的過(guò)程中不便于時(shí)刻留意系統(tǒng)中任務(wù)的變化情況，因此在車載終端上加入了語(yǔ)音提示模塊。

　　Windows CE提供了音頻API接口：

　　BOOL WINAPI PlaySound(LPCSTR pszSound,HMODULE hmod,DWORD fdwSound);

　　該函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)表示要播放的音頻文件，第2個(gè)參數(shù)設(shè)置為NULL，第3個(gè)參數(shù)指定影響聲音播放的一些標(biāo)志。因此，語(yǔ)音模塊的實(shí)現(xiàn)就是在不同的情況下播放不同的提示聲音。

4? 結(jié)論

　　基于Liod評(píng)估板的車載物流終端集成了電子地圖、GPS定位、GPRS無(wú)線通信、打印與稱重、語(yǔ)音提示等功能。由于采用柵格圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)電子地圖，因此通過(guò)將小范圍內(nèi)的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)簡(jiǎn)化為線性坐標(biāo)模型，可成功地在柵格圖像上實(shí)現(xiàn)車輛定位的功能。