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)計方案。在此方案中集成了電子地圖、GPS定位、GPRS無線通信、熱敏打印機、電子秤等功能。文中給出了相應(yīng)的實現(xiàn)及測試結(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)代社會中正扮演著越來越重要的角色。但是，與國外技術(shù)密集型的物流行業(yè)相比，國內(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，本文提出了一個基于Windows CE平臺的物流車載終端設(shè)計方案。該物流車載終端以Liod評估板（簡稱為“Liod板”）為硬件平臺，在嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE上實現(xiàn)的功能有：電子地圖，實現(xiàn)地圖4級縮放、平移、歸中功能；無線通信，實現(xiàn)終端與控制中心的GPRS無線通信；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)，實現(xiàn)票據(jù)的打印；語音提示，提供更好的人機交互功能。

1? 軟硬件平臺簡介

　　本車載終端以Liod板為硬件平臺。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)計方案采用Windows CE作為軟件平臺。Windows CE是一種針對小容量、移動式、智能化設(shè)備的多任務(wù)、搶占式、模塊化實時嵌入式操作系統(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)用程序開發(fā)，微軟公司推出了eMbedded Visual C++（簡稱“eVC”）集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)采用的是eVC 4.0。

2? 硬件設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　在Liod板的基礎(chǔ)上擴充了部分外圍電路。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)計主要包括兩個部分：以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計和電子秤硬件電路設(shè)計。

　　無線通信設(shè)備采用GPRS Modem。該GPRS Modem通過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；打印機采用TD58熱敏打印機；電子秤采用應(yīng)變片壓力傳感器結(jié)合C8051F020單片機自行開發(fā)；語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、電子秤都要通過串行口與Liod板通信，Liod板原有的串口數(shù)量已經(jīng)無法滿足要求，因此采用ZNE100T以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，把Liod板的以太網(wǎng)口擴充成3個串行口。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)過該電路的轉(zhuǎn)換，對串口的操作映射為通過以太網(wǎng)進行的數(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)計中，使用了3個RS232串口分別發(fā)送和接收電子秤數(shù)據(jù)、打印機數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用帶有使能控制信號的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MAX3221的使能端（EN），這樣就可以通過軟件來選擇需要的串口。使能端均為低電平有效，當(dāng)有一個串口的使能端為0時，其他兩個串口使能端必須為1。

2.3? 電子秤硬件設(shè)計

　　電子秤使用應(yīng)變片壓力傳感器、AD8221運算放大器和C8051F020芯片進行設(shè)計。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

　　物品重量通過應(yīng)變片壓力傳感器轉(zhuǎn)換成比較微弱的電壓信號。此電壓信號經(jīng)過AD8221運算放大器放大，送到C8051F020的ADC1轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，同時在擴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

3.1? 電子地圖

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

　　首先對坐標系統(tǒng)進行簡單的說明。假設(shè)有一個形狀為嚴格矩形的地圖，其像素坐標原點為(0,0)，地圖X軸方向上的寬度假設(shè)為W個像素點，Y軸方向的高度假設(shè)為H個像素點，某個點的像素坐標為(x,y)，則定義該像素點的歸一化坐標為(x/W,y/H)。這樣，地圖左上角的歸一化坐標為(0.0,0.0)，右下角歸一化坐標為(1.0,1.0)。把這樣的坐標系統(tǒng)稱為“歸一化坐標系”。

　　采用歸一化坐標系可以簡化柵格地圖的多級縮放。由于本終端要將車輛當(dāng)前的位置顯示在地圖上，而對于不同的地圖級別，地圖的分辨率是不一樣的。那么，當(dāng)?shù)貓D放大或縮小時，車輛對應(yīng)的像素坐標就會發(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是不會變化的。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，即可得到車輛在新地圖上的X軸像素坐標；同理，可得車輛在新地圖上的Y軸像素坐標。這樣，坐標計算過程就可以統(tǒng)一起來。本設(shè)計中的電子地圖模塊統(tǒng)一采用歸一化坐標系。

　　根據(jù)設(shè)計要求，本終端的電子地圖支持4級縮放。設(shè)計中采用一幅大小為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,因此地圖級別與放大倍數(shù)之間具有如表2所列的對應(yīng)關(guān)系。

表2? 地圖級別與放大倍數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

　　程序啟動時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，則將相應(yīng)的位圖顯示在屏幕上;同時,根據(jù)新的位圖大小和車輛的歸一化坐標計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。

　　就車載終端而言，所覆蓋的地理范圍相對地球半徑來說幾乎無窮小，故可以認為該電子地圖所對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標是線性變化的，即地圖坐標和GPS坐標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，而電子地圖模塊使用的是歸一化坐標系，因此需要在兩種坐標之間進行轉(zhuǎn)換。此轉(zhuǎn)換過程是依靠地圖左上角點和右下角點這兩個基準點來實現(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。有了這兩個數(shù)據(jù)以后，當(dāng)從GPS硬件模塊讀取到經(jīng)緯度坐標時，根據(jù)近似的線性映射關(guān)系，就可計算出該坐標在地圖上的歸一化坐標，由此可得相應(yīng)的像素點坐標，即可將車輛位置顯示出來。

表3? 參考點數(shù)據(jù)

表4? 參考點數(shù)據(jù)文件格式定義

　　對于地圖左上角點和右下角點的經(jīng)緯度坐標的求取，通過實際測量的方法是很難做到準確無誤的。因此本設(shè)計采用一種間接的方法來求得地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標。

　　假設(shè)在地圖邊界內(nèi)部有兩個任意點，把這兩個點稱為“參考點”，并且已知這兩個參考點的經(jīng)度、緯度、歸一化x坐標、歸一化y坐標；設(shè)參考點1的這4個參數(shù)為point1=(lon1, lat1, x1, y1)，參考點2的這4個參數(shù)為point2=(lon2, lat2, x2, y2)，即point1和point2已知。根據(jù)前面的說明可知，左上角點的歸一化坐標為(0.0, 0.0)，而右下角點的歸一化坐標為(1.0,1.0)。另外假設(shè)左上角點用pointTL表示，其經(jīng)緯度為lonTL和latTL；右下角點用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，對于右下角的點有pointBR＝(lonBR,latBR,1.0,1.0)。

　　由于將經(jīng)緯度與地圖坐標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，可以計算出pointTL和pointBR的未知參數(shù)：

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

　　根據(jù)式（1）和式（2），上面的3個參考點之間兩兩結(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，對這三組經(jīng)緯度取平均，以減小誤差，提高精度。

　　上述過程是在GPS數(shù)據(jù)處理模塊初始化過程中完成的。為了提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性，參考點數(shù)據(jù)都是存放在外部數(shù)據(jù)文件中的，因此，需要在程序啟動時將相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中。為此，專門為參考點定義了一個數(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
　　　　double normCartY;//規(guī)一化y坐標
　　}MAPNODE;//參考點結(jié)構(gòu)存儲在.dat文件中

　　本設(shè)計定義了用于存儲參考點信息的數(shù)據(jù)文件的格式，如表4所列。

　　上述工作完成之后，參考點數(shù)據(jù)的存儲和讀取就比較簡單了?；鶞庶c和車輛位置的計算都只是簡單的代數(shù)計算過程，容易實現(xiàn)。至于地圖的顯示和控制則需要通過Windows CE的API接口來完成。

3.2? GPRS模塊

　　本車載終端采用GPRS Modem與控制中心進行無線數(shù)據(jù)通信，對GPRS Modem的控制和讀寫通過串口進行。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。字符串型字段的長度不包括字符串結(jié)尾的NULL字符（在C語言中為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；客戶端確認數(shù)據(jù)包；服務(wù)器確認數(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)、時間戳標記(time stamp)、數(shù)據(jù)包順序號(packet sequence number)3個字段。當(dāng)接收到一個數(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；而RECV、SEND、UPDT、CACK、SACK這5種類型的數(shù)據(jù)包不需要確認。

　　GPRS Modem的數(shù)據(jù)傳輸與接收是通過串口編程來實現(xiàn)的。Windows CE平臺上的串口編程依賴于與文件相關(guān)的API接口：CreateFile()打開串口，ReadFile()從串口讀取數(shù)據(jù)，WriteFile()向串口寫入數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的到來是一個異步過程，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)口擴充為3個串口，因此對外擴的3個串口的訪問是通過以太網(wǎng)口進行的，這涉及Windows CE下的網(wǎng)絡(luò)編程。對外擴串口的控制是通過向ZNE100T模塊的3003端口寫入控制命令字來實現(xiàn)的；數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過ZNE100T模塊的4001端口實現(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。對數(shù)據(jù)的讀寫采用了非阻塞的方式：寫操作直接將數(shù)據(jù)寫到套接口的輸出緩沖區(qū)中；而數(shù)據(jù)的讀取因為是一個異步過程，因此放在一個單獨的線程中完成。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程中發(fā)生的異常事件。

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

　　對于稱重，只存在由C8051F020單片機向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個字節(jié)表示，單位為g。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_，除了2個字節(jié)的重量數(shù)據(jù)之外，還加入了幾個字節(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作為起始標記；結(jié)尾處的0x05既表明重量數(shù)據(jù)幀的長度，也作為結(jié)束標記。

　　就打印機而言，控制命令字和要打印的數(shù)據(jù)都在同一個數(shù)據(jù)流中發(fā)送給打印機，由打印機去區(qū)分命令和數(shù)據(jù)。由于Windows CE默認支持的字符集是UNICODE字符集，因此輸出給打印機的字符需要轉(zhuǎn)換成多字節(jié)字符發(fā)送給打印機才能正確打印，這是通過標準C提供的wcstombs()庫函數(shù)實現(xiàn)的。

3.4? 語音提示模塊

　　考慮到配送人員在駕駛車輛的過程中不便于時刻留意系統(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個參數(shù)表示要播放的音頻文件，第2個參數(shù)設(shè)置為NULL，第3個參數(shù)指定影響聲音播放的一些標志。因此，語音模塊的實現(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評估板的車載物流終端集成了電子地圖、GPS定位、GPRS無線通信、打印與稱重、語音提示等功能。由于采用柵格圖像來實現(xiàn)電子地圖，因此通過將小范圍內(nèi)的地理經(jīng)緯度坐標簡化為線性坐標模型，可成功地在柵格圖像上實現(xiàn)車輛定位的功能。