基于衛(wèi)星定位技術(shù)和通用分組無線實現(xiàn)GPS_GPRS定位系統(tǒng)的設(shè)計

一、引言

目前，隨著人民生活水平的提高，交通工具越來越多，安全服務(wù)也越來越受到重視，尤其是車載監(jiān)控系統(tǒng)越來越多地受到業(yè)界的關(guān)注。本文介紹了作者設(shè)計的一種車載監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱為車載系統(tǒng)），并重點介紹了車載系統(tǒng)終端的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)將GPRS、GPS技術(shù)相結(jié)合，利用GPRS的數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)移動車輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸，以實施對車輛運行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控。

二、 系統(tǒng)組成及特點

由于在GPS_GPRS定位系統(tǒng)中，涉及到了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)與GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)的相關(guān)應(yīng)用，從而在系統(tǒng)的組成中，GPS與GPRS無疑是整個系統(tǒng)的核心部門，下面就GPS系統(tǒng)與GPRS系統(tǒng)，以應(yīng)用為前提作如下簡要介紹。

全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）是美國從上世紀(jì)70年代開始研制、歷時20年、耗資200億美元、于1994年全面建成、具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

GPRS是歐洲電信協(xié)會GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。它采用信道捆綁（目前GPRS的設(shè)計可以在一個載頻或8個信道中實現(xiàn)捆綁）和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率改進(jìn)實現(xiàn)高速接入，理論上可提供高達(dá)115kbps的空中接口傳輸速率，使若干移動用戶能夠同時共享一個無線信道，一個移動用戶也可以使用多個無線信道。實際不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的用戶僅占很小一部分網(wǎng)絡(luò)資源，并且網(wǎng)絡(luò)容量只有在實際進(jìn)行傳輸時才被占用。

為了實現(xiàn)GPRS，需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中引入3種新的邏輯網(wǎng)絡(luò)實體：服務(wù)GPRS支持節(jié)點（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點（GGSN）和分組控制單元（PCU）。GPRS與現(xiàn)有的GSM語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。這一特點正適合大多數(shù)移動互聯(lián)的應(yīng)用。

基于以上對GPS系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)的簡要介紹，可以得出GPS_GPRS定位系統(tǒng)車載終端的組成及特點。其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示，系統(tǒng)工作流程為：GPS_GPRS定位系統(tǒng)車載終端將其所獲取的當(dāng)前GPS地理位置信息，通過GPRS方式上傳到系統(tǒng)服務(wù)器?？蛻舳丝梢酝ㄟ^專用GIS軟件或IE瀏覽方式，對當(dāng)前受監(jiān)控車輛所在的位置、車速及行進(jìn)方向進(jìn)行實時監(jiān)控，并可以通過網(wǎng)絡(luò)對車載終端進(jìn)行控制，實現(xiàn)移動車輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸，完成對車輛運行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

三、系統(tǒng)功能及工作原理

GPS_GPRS定位系統(tǒng)車載終端原理框圖如圖2所示。

圖2 車載終端原理框圖

其中，該車載終端需要實現(xiàn)的主要功能如下：

用戶當(dāng)前信息一次查詢;

用戶連續(xù)定位信息查詢/啟動發(fā)送實時定位信息;

停止終端定位數(shù)據(jù)上傳;

設(shè)置GPS采樣定位數(shù)據(jù)周期;

硬件點對點下載GPS定位系統(tǒng)終端定位采樣數(shù)據(jù);

備開關(guān)（電平）輸出/輸入端子，實現(xiàn)與車用防盜報警器、緊急報警（SOS）、醫(yī)療服務(wù)、故障服務(wù)、繼電器輸出、警示嗽叭、點火信號等的接口;

安防功能：可以通過手機(jī)短信、直接遙控、網(wǎng)絡(luò)等三種方式進(jìn)行設(shè)/撤防操作。同時具備應(yīng)急、緊急求助功能。且當(dāng)系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞或出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)終端自動啟動安防功能;

監(jiān)聽功能：用戶可通過手機(jī)短信，或者網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)聽號碼（接警號碼）進(jìn)行設(shè)置并發(fā)送監(jiān)聽命令（監(jiān)聽電話主動掛機(jī)則結(jié)束監(jiān)聽），且當(dāng)系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞或出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)終端將自動啟動安防功能;

電話功能：通過電話手柄，完成撥打和接聽電話的功能;

欠壓檢測示警及后備電源自動啟用功能。

該系統(tǒng)車載載終端的工作原理如下：

車載終端由W77E58實現(xiàn)控制，其核心部分主要包括PPP及TCP/IP協(xié)議棧、GPRS控制、GPS控制，以及外圍接口控制。CPU內(nèi)嵌PPP及TCP/IP協(xié)議棧，同時分別通過串行口UART0去控制GPRS的工作，通過串行口UART1去控制GPS的工作。其中：

（1）CPU對GPRS的控制

主要是通過串行口UART0發(fā)送AT命令實現(xiàn)。同時，在該系統(tǒng)設(shè)計中，CPU還可以通過控制I/O口電平輸出狀態(tài)，對GPRS進(jìn)行硬件復(fù)位，以防止意外情況下的不可恢復(fù)性死機(jī)（值得注意的是，通常情況下，GPRS模塊都有軟件復(fù)位命令，為實現(xiàn)對GPRS模塊的保護(hù)，最好在軟件復(fù)位命令無效時，才選擇硬件復(fù)位）。

（2）CPU對GPS的控制

主要是通過串行口UART1發(fā)送控制命令實現(xiàn)（GPS采樣周期的設(shè)置、GPS輸出數(shù)據(jù)選擇 、通訊波特率設(shè)置等），同時也是通過串行口UART1接收GPS定位信息，由于GPS輸出數(shù)據(jù)采用NMEA-0183（Ver2.0）格式，輸出數(shù)據(jù)為多組，在本系統(tǒng)中，僅選擇了取其中的一組數(shù)據(jù)：GPRMC（推薦最小數(shù)據(jù)量的GPS具體內(nèi)容/傳輸數(shù)據(jù)），其格式見圖3，其中，當(dāng)且僅當(dāng)GPS輸出數(shù)據(jù)為有效定位數(shù)據(jù)時，對應(yīng)的UTC時間才為當(dāng)前準(zhǔn)確時間。

圖3 GPS數(shù)據(jù)格式（GPRMC）

（3）CPU對其它外圍接口的控制

主要通過通用I/O口實現(xiàn)開關(guān)（電平）輸入/輸出，同時通過外部中斷的方式實現(xiàn)了實現(xiàn)與車用防盜報警器、緊急報警（SOS）、醫(yī)療服務(wù)、故障服務(wù)、點火信號等的接口。

（4）CPU對系統(tǒng)的整體控制：

首先，CPU完成對GPRS、GPS及外圍接口的初始化工作;其次，CPU通過串行口UART1對GPRS進(jìn)行操作，完成從撥號到PPP協(xié)商（創(chuàng)建PPP鏈路、用戶驗證、PPP回叫控制、協(xié)商和調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議），并與服務(wù)器建立起TCP連接;然后，在保證與服務(wù)器之間的TCP連接正常的前提下，實現(xiàn)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互與控制;最后，CPU還必須要周期性地對系統(tǒng)終端的當(dāng)前狀 態(tài)作出測試及判斷，并對各種實際情況作出相應(yīng)的處理，以保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

在整個GPS_GPRS定位系統(tǒng)的設(shè)計中，涉及到服務(wù)器軟件、客戶端應(yīng)用軟件及車載終端底層軟件。在此，主要就車載終端底層軟件的設(shè)計作進(jìn)一步的說明。

在GPS_GPRS定位系統(tǒng)車載終端底層軟件的設(shè)計中，程序采用了模塊化設(shè)計，軟件由一個主程序和若干個子程序構(gòu)成，其中，子程序主要完成一些單一的基本工能，主程序則主要負(fù)責(zé)完成對各個功能模塊（即子程序）的調(diào)用，同時對車載終端的資源及邏輯作出規(guī)劃，主程序框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序框圖

下面就主程序的設(shè)計要點作出如下闡述：

當(dāng)系統(tǒng)完成GPS及GPRS的初始化之后，即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)撥號、PPP協(xié)商、TCP聯(lián)結(jié)等操作，當(dāng)車載終端與服務(wù)器之間建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)之后，便可通過自定義的車載終端與服務(wù)器之間的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在此過程中，系統(tǒng)會首先判斷，當(dāng)前系統(tǒng)是否允許終端將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并進(jìn)行相應(yīng)操作;同時，會檢測是否收到控制命令（包括通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的控制命令，或通過短信方式發(fā)出來的命令，或是通過遙控器發(fā)出的控制命令），倘若收到了控制命令，則對命令的合法性作出判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

同時，系統(tǒng)會定時對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行測試，倘若網(wǎng)絡(luò)測試正常，則返回到繼續(xù)判斷控制命令及對系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行處理;倘若網(wǎng)絡(luò)測試不正常，則進(jìn)行有限次嘗試，倘若有限次嘗試均以失敗告終，而主動斷開網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，并對GPRS作出復(fù)位及再次初始化操作，之后，再重復(fù)主程序的撥號、PPP協(xié)商、TCP聯(lián)結(jié)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互工作。

其中，與GPRS的數(shù)據(jù)交換，通過串行口UART0中斷完成;與GPS的數(shù)據(jù)交換，通過串行口UART1完成;另外，外部警情接收通過外部中斷0和1完成，無線遙控接收由外部中斷2完成。通訊超時及定時處理，由定時器TIME2完成，它們均以子程序的形式存在于車載終端控制軟件中，同時還包括一些對GPRS、GPS模塊進(jìn)行初始化及設(shè)置，以及PPP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議的解析與實現(xiàn)子程序，具體框圖及說明略。

由以上對車載載終端控制程序的說明可知，車載終端工作流程控制程序的工作流程如下：

1：與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接;

2：與服務(wù)器建立TCP聯(lián)結(jié);

3：對用戶進(jìn)行注冊;

4：向服務(wù)器發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù);

5：默認(rèn)狀態(tài)下，按設(shè)定周期（默認(rèn)狀態(tài)為每5秒一幀），定位數(shù)據(jù)不間斷地上傳到服務(wù)器;

6：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測試，并據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀況，作出相應(yīng)處理（比如斷線重?fù)埽?

7：接收網(wǎng)絡(luò)或第三方控制或操作命令，并作出相應(yīng)處理（比如：GPS采樣周期設(shè)定、停止發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、開始發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、設(shè)置監(jiān)聽號碼、更改操作密碼等）;

8：處理突發(fā)警情（自動撥打監(jiān)聽中心號碼、上報求助警情信息等）。

五、結(jié)語

利用GPRS的數(shù)據(jù)傳輸功能，對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸，與以往GPS監(jiān)控系統(tǒng)所采用的短信、GSM數(shù)據(jù)通道或DTMF數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)方法相比，運營成本得到了極大的降低，同時其可操作性及實時性也都有了顯著的提高，而且成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，達(dá)到了較高的可靠性。

該系統(tǒng)中，PPP、TCP/IP協(xié)議棧都由8位單片機(jī)完成，由于速度上的限制，使得系統(tǒng)中的協(xié)議棧只能椐實際應(yīng)用而作出相應(yīng)的壓縮與處理，但這已足以達(dá)到該系統(tǒng)的資源需求。同時，該系統(tǒng)為以GPRS為代表的無線網(wǎng)絡(luò)接入方式的應(yīng)用提供了一個可循的途徑。隨著GPRS、C DMA等無線網(wǎng)絡(luò)接入方式的不斷完善，相信以此為代表的新一代無線數(shù)據(jù)傳輸方式具有很大的應(yīng)用前景。

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