GPS_GPRS定位定向導航系統(tǒng)車載終端應用設計與實現

　　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)界的關注。本文介紹了作者設計的一種車載監(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)終端的設計與實現。該系統(tǒng)將GPRS、GPS技術相結合,利用GPRS的數據傳輸功能,實現移動車輛與監(jiān)控中心的雙向數據傳輸,以實施對車輛運行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術狀態(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)星定位技術與GPRS通用分組無線業(yè)務的相關應用,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、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。

　　GPRS是歐洲電信協會GSM系統(tǒng)中有關分組數據所規(guī)定的標準。它采用信道捆綁（目前GPRS的設計 可以在一個載頻或8個信道中實現捆綁）和增強數據速率改進實現高速接入,理論上可提供高達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)送或接收數據包的用戶僅占很小一部分網絡資源,并且網絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。

　　為了實現GPRS,需要在現有的GSM網絡中引入3種新的邏輯網絡實體：服務GPRS支持節(jié)點（SGSN）、網關GPRS支持節(jié)點（GGSN）和分組控制單元（PCU）。GPRS與現有的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、少量的數據傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸。這一特點正適合大多數移動互聯的應用。

　　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)結構方框圖如圖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前GPS地理位置信息,通過GPRS方式上傳到系統(tǒng)服務器。客戶端可以通過專用GIS軟件或IE瀏覽方式,對當前受監(jiān)控車輛所在的位置、車速及行進方向進行實時監(jiān)控,并可以通過網絡對車載終端進行控制,實現移動車輛與監(jiān)控中心的雙向數據傳輸,完成對車輛運行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術狀態(tài)的監(jiān)控。

　　圖1 系統(tǒng)結構方框圖

　　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的主要功能如下：

　　用戶當前信息一次查詢;

　　用戶連續(xù)定位信息查詢/啟動發(fā)送實時定位信息;

　　停止終端定位數據上傳;

　　設置GPS采樣定位數據周期;

　　硬件點對點下載GPS定位系統(tǒng)終端定位采樣數據;

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

　　安防功能：可以通過手機短信、直接遙控、網絡等三種方式進行設/撤防操作。同時具備應急、緊急求助功能。且當系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞或出現異常時,系統(tǒng)終端自動啟動安防功能;

　　監(jiān)聽功能：用戶可通過手機短信,或者網絡對監(jiān)聽號碼（接警號碼）進行設置并發(fā)送監(jiān)聽命令（監(jiān)聽電話主動掛機則結束監(jiān)聽）,且當系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞或出現異常時,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實現控制,其核心部分主要包括PPP及TCP/IP協議棧、GPRS控制、GPS控制,以及外圍接口控制。CPU內嵌PPP及TCP/IP協議棧,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。同時,在該系統(tǒng)設計中,CPU還可以通過控制I/O口電平輸出狀態(tài),對GPRS進行硬件復位,以防止意外情況下的不可恢復性死機（值得注意的是,通常情況下,GPRS模塊都有軟件復位命令,為實現對GPRS模塊的保護,最好在軟件復位命令無效時,才選擇硬件復位）。

　　（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（GPS采樣周期的設置、GPS輸出數據選擇 、通訊波特率設置等）,同時也是通過串行口UART1接收GPS定位信息,由于GPS輸出數據采用NMEA-0183(Ver2.0)格式,輸出數據為多組,在本系統(tǒng)中,僅選擇了取其中的一組數據：GPRMC(推薦最小數據量的GPS具體內容/傳輸數據),其格式見圖3,其中,當且僅當GPS輸出數據為有效定位數據時,對應的UTC時間才為當前準確時間。

　　圖3 GPS數據格式（GPRMC）

　　（3）CPU對其它外圍接口的控制

　　主要通過通用I/O口實現開關（電平）輸入/輸出,同時通過外部中斷的方式實現了實現與車用防盜報警器、緊急報警（SOS）、醫(yī)療服務、故障服務、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進行操作,完成從撥號到PPP協商（創(chuàng)建PPP鏈路、用戶驗證、PPP回叫控制、協商和調用網絡層協議）,并與服務器建立起TCP連接;然后,在保證與服務器之間的TCP連接正常的前提下,實現與服務器之間的數據交互與控制;最后,CPU還必須要周期性地對系統(tǒng)終端的當前狀 態(tài)作出測試及判斷,并對各種實際情況作出相應的處理,以保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作。

　　四、系統(tǒng)軟件設計

　　在整個GPS_GPRS定位系統(tǒng)的設計中,涉及到服務器軟件、客戶端應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計作進一步的說明。

　　在GPS_GPRS定位系統(tǒng)車載終端底層軟件的設計中,程序采用了模塊化設計,軟件由一個主程序和若干個子程序構成,其中,子程序主要完成一些單一的基本工能,主程序則主要負責完成對各個功能模塊（即子程序）的調用,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

　　下面就主程序的設計要點作出如下闡述：

　　當系統(tǒng)完成GPS及GPRS的初始化之后,即進行網絡撥號、PPP協商、TCP聯結等操作,當車載終端與服務器之間建立起網絡聯結之后,便可通過自定義的車載終端與服務器之間的通訊協議進行數據交互。

　　在此過程中,系統(tǒng)會首先判斷,當前系統(tǒng)是否允許終端將GPS數據進行上傳,并進行相應操作;同時,會檢測是否收到控制命令（包括通過網絡發(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,并進行相應的處理。

　　同時,系統(tǒng)會定時對網絡質量進行測試,倘若網絡測試正常,則返回到繼續(xù)判斷控制命令及對系統(tǒng)當前狀態(tài)進行處理;倘若網絡測試不正常,則進行有限次嘗試,倘若有限次嘗試均以失敗告終,而主動斷開網絡連結,并對GPRS作出復位及再次初始化操作,之后,再重復主程序的撥號、PPP協商、TCP聯結及網絡數據交互工作。

　　其中,與GPRS的數據交換,通過串行口UART0中斷完成;與GPS的數據交換,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模塊進行初始化及設置,以及PPP協議、TCP/IP協議的解析與實現子程序,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：與服務器建立網絡連接;

　　2：與服務器建立TCP聯結;

　　3：對用戶進行注冊;

　　4：向服務器發(fā)送GPS定位數據; 

　　5：默認狀態(tài)下,按設定周期（默認狀態(tài)為每5秒一幀）,定位數據不間斷地上傳到服務器;

　　6：網絡狀態(tài)檢測及網絡質量測試,并據網絡當前狀況,作出相應處理（比如斷線重撥）;

　　7：接收網絡或第三方控制或操作命令,并作出相應處理（比如：GPS采樣周期設定、停止發(fā)送GPS數據、開始發(fā)送GPS數據、設置監(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、結語

　　利用GPRS的數據傳輸功能,對GPS數據進行實時傳輸,與以往GPS監(jiān)控系統(tǒng)所采用的短信、GSM數據通道或DTMF數據傳輸等傳統(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,結構簡單,達到了較高的可靠性。

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