GPS/ GPRS 車載監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

近年來，隨著汽車的普及和道路的建設(shè)，城際間的經(jīng)濟(jì)往來更加頻繁，活動(dòng)的區(qū)域也越來越大，由此產(chǎn)生了交通擁擠、車禍增加、廢氣排放量增加等嚴(yán)重問題。智能交通系統(tǒng) (Intelligent Transport System) 的出現(xiàn)有效地改善了以上各種交通問題。車載監(jiān)控系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)分支，它集先進(jìn)的無線定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)于一身，不僅在智能交通系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)主要作用，同時(shí)還能提供防盜防搶劫報(bào)警、緊急醫(yī)療求助、娛樂等多種服務(wù)。這些都促使各研發(fā)機(jī)構(gòu)大力開發(fā)車輛監(jiān)控系統(tǒng)，本文就選取整個(gè)系統(tǒng)中的車載終端模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 車輛監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

  整個(gè)系統(tǒng)由 GPS 衛(wèi)星、車載終端、通信網(wǎng)絡(luò) (GPRS 和 Internet) 和監(jiān)控中心組成。車輛在運(yùn)行過程中，車載終端的 GPS 接收機(jī)接收定位數(shù)據(jù)，計(jì)算出車輛當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、速度、航向和其他信息 ( 時(shí)間、狀態(tài) ) 等，然后通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到具有靜態(tài) IP 地址的監(jiān)控中心，并存人中心數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控中心在接到車輛上傳的信息后，根據(jù)車輛的當(dāng)前狀況科學(xué)地進(jìn)行調(diào)度和管理，從而提高運(yùn)營效率?？蛻粢部梢酝ㄟ^ Internet 或電話來查詢特定車輛的當(dāng)前狀況。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 車載終端的功能

  車載 GPS ／ GPRS 終端的衛(wèi)星接收模塊采集到 GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到車輛的地理坐標(biāo)信息。該信息通過車載終端處理之后，由 GPRS 無線通信模塊發(fā)送到 GPRS 無線通信網(wǎng)上。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在車載終端和接人 Internet 網(wǎng)的監(jiān)控中心之間建立一條支持TCP／lP 的數(shù)據(jù)通道。車載 GPS ／ GPRS 終端依靠該數(shù)據(jù)通道和監(jiān)控中心之間進(jìn)行信息的交互。監(jiān)控中心還可以通過該通道向下發(fā)送控制命令和服務(wù)信息。另外，除了車輛定位，系統(tǒng)還可以提供諸如防盜防搶、對(duì)移動(dòng)車輛進(jìn)行斷油斷電、顯示調(diào)度信息、醫(yī)療求助、移動(dòng)電話等多種服務(wù)。

3 車載終端硬件設(shè)計(jì)

  車載終端硬件系統(tǒng)以單片機(jī)和 GPS+GPRS 模塊為核心，屬于經(jīng)濟(jì)型功能終端，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

3.2 GSM ／ GPRS+GPS 模塊

采用 SIMCOM 公司的 SIM508 模塊。 SIM508 模塊是一款將三頻 GSM ／ GPRS 和具有 20 通道能力的 GPS 完全整合到一個(gè)模塊中 ( 34 mm × 55 mm × 3 mm ) 的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)完全滿足車載應(yīng)用環(huán)境要求 ( 溫度、濕度、防震等 ) 。特別地，整合了附加元器件的SIM508 可以節(jié)省很多時(shí)間和成本。 SIM508 支持 NMEA-0183 ， SiRF binary 和 RTCM SC-104 三種 GPS 數(shù)據(jù)格式，能夠滿足不同的設(shè)計(jì)要求。車載終端通過模塊中的 GPS 部分獲得車輛的具體位置，經(jīng)過 CPU 處理后，顯示給用戶并通過 GPRS 部分將該信息發(fā)送到監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)定位跟蹤，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)語音和短消息通信功能。

3.3 輸入輸出模塊

輸出通過 12232F 液晶模塊實(shí)現(xiàn)，可以顯示圖形，也可以顯示 7.5 × 2 個(gè) (16 × 16 點(diǎn)陣) 漢字，與外部 CPU 接口可以采用并行或串行，考慮到編程的簡易性，本車載終端采用串行接口連接。

車載終端的輸入有兩種方式：遙控器輸入 ( 主要輸入設(shè)備 ) 和手柄輸入?？紤]到緊急情況下手柄輸入的局限性，這里采用遙控器作為主要輸入設(shè)備，可以用來完成語音撥號(hào)、收發(fā)短消息、醫(yī)療求助、維修求助、啟閉設(shè)備等功能。手柄裝置包括確認(rèn)、返回和上、下翻動(dòng)四個(gè)功能鍵，為方便用戶輸入而設(shè)計(jì)。

4 車載終端軟件設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能或一個(gè)協(xié)議，各功能模塊以子函數(shù)形式出現(xiàn)，縮短了軟件開發(fā)時(shí)間，易于程序修改和移植，同時(shí)，在編寫軟件時(shí)，還留有一些軟件應(yīng)用接口，便于軟件升級(jí)，如增加新協(xié)議。軟件系統(tǒng)功能模塊如圖 3 所示。

4.1 系統(tǒng)工作流程

車載終端軟件系統(tǒng)的主要功能是由主程序完成的。主程序采用狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其工作流程

如圖 4 所示

程序工作時(shí)先進(jìn)行 GPS 和 GPRS 串口初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，先識(shí)別 GPS 數(shù)據(jù)是否有效，即定位是否成功，定位成功則系統(tǒng)轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，建立 GPRS 連接，否則重新定位。建立好 GPRS 連接后便可以向監(jiān)控中心發(fā)送處理后的定位數(shù)據(jù)。同時(shí)，主程序運(yùn)行的過程中，還能響應(yīng)遙控器輸入中斷請求，以便實(shí)現(xiàn)其他功能。

4.2 軟件系統(tǒng)協(xié)議棧

借鑒于 OSI 模型和標(biāo)準(zhǔn)的 TCP ／ IP 協(xié)議棧，本系統(tǒng)采用四層網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議：傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。系統(tǒng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

考慮到車輛監(jiān)控系統(tǒng)中幾十、幾百甚至上千個(gè)車載終端的情況，對(duì)于這種多點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性要求高、終端數(shù)量多的應(yīng)用，傳輸層采用 UDP 比 TCP 會(huì)更好一些。 IP 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，主要是將數(shù)據(jù)流切割成適當(dāng)?shù)拇笮?，然后將這些數(shù)據(jù)包通過選擇路由，利用不同的路由來傳送到目的地 IP 。在物理層之上， PPP 協(xié)議作為 GPRS 在物理層之上的惟一指定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過 CRC 校驗(yàn)、確認(rèn)等手段將原始的物理層連接改造成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。 PPP 協(xié)商成功后，系統(tǒng)將成功遠(yuǎn)程登錄 Internet ，并得到網(wǎng)關(guān)分配給自己的 IP 。終端與網(wǎng)絡(luò)之間的物理層通道就是 GPRS 連接。具體的 GPRS 協(xié)議都已被做在 GPRS modem 中，通過數(shù)據(jù)端對(duì) GPRS modem 正確的 AT 指令設(shè)置后，就可以用 AT 撥號(hào)指令進(jìn)行撥號(hào)連接，當(dāng)收到 GPRS modem 的撥號(hào)反饋應(yīng)答后，一條物理通道即 GPRS 信道就在本終端中和網(wǎng)絡(luò)之間建立起來了。

5 結(jié) 語

介紹了基于 GPS ／ GPRS 的車輛監(jiān)控系統(tǒng)終端的一種實(shí)現(xiàn)方案，并給出了詳細(xì)的軟件及硬件組成和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)多次測試系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好。該系統(tǒng)可以應(yīng)用手指揮監(jiān)控系統(tǒng)、城市租賃汽車管理系