基于單片機(jī)與GPS/GPRS 的車載監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著科技的發(fā)展，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)（IntelligentTransportSystem）的出現(xiàn)有效地改善了以上各種交通問題。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合的運(yùn)輸和管理系統(tǒng)。它通過人、車、路的和諧、密切配合提高交通運(yùn)輸效率，緩解交通阻塞，提高路網(wǎng)通過能力，較少交通事故，降低能源消耗，減輕環(huán)境污染。

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)。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)，并且介紹了下GPS車載終端。

一、關(guān)于GPS車載終端

GPS車載終端又稱GPS車輛管理系統(tǒng)或GPS車載監(jiān)控系統(tǒng)，它是依托衛(wèi)星定位、地理信息及無線通信等技術(shù)手段，實(shí)時(shí)掌握車輛位置和狀態(tài)，提供調(diào)度管理信息的軟硬件綜合系統(tǒng)。

1.車輛監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車輛監(jiān)控系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、車載終端、通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS和Internet）和監(jiān)控中心四大部分組成。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。客戶也可以通過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。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.車載終端的特點(diǎn)
1、外觀小巧，性能穩(wěn)定。主機(jī)如煙盒大小，可以安裝在很隱蔽的地方，GPS天線也無須安放在外，因?yàn)樗捎玫氖浅瑥?qiáng)度接收的第四代模塊，所以可以安放在車內(nèi)比較隱秘的地方。主機(jī)內(nèi)部元器件全部采用進(jìn)口工業(yè)級材料，核心GSM模塊為德國的西門子品牌，GPS模塊為HOLUX SIRF III，核心單片機(jī)為穩(wěn)定性最強(qiáng)的P IC，其它IC元件為德國TI公司的。

2、安裝簡單。只需要駁接原車兩條電源線即可，斷油裝置可接可不接，如果需要安裝斷油裝置的話只需將原車油泵供電線剪斷然后串聯(lián)到本機(jī)即可。

3、誤報(bào)警率低。本產(chǎn)品注重人性化設(shè)計(jì)，將誤報(bào)警率降到最低。

4、多重防范，確保有警必報(bào)。

3.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)。

二、車載終端硬件設(shè)計(jì)

車載終端硬件系統(tǒng)以ATMEGA64(L)單片機(jī)和GPS+GPRS模塊為核心，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.信息處理和控制模塊

本文采用AVR系列的單片機(jī)系統(tǒng)，主要是進(jìn)行信息處理和控制車載臺的各組成部分按照通信協(xié)議的要求執(zhí)行響應(yīng)的操作。該模塊由CPU、外部存儲器、I／O接口以及控制邏輯電路組成。CPU采用ATMEGA64（L）單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)具有兩個(gè)串口，分別用來與GPS和GPRS模塊通信。它是基于增強(qiáng)的AVRRISO結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，曲于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATMEGA64（L）的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS／MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.GSM／GPRS+GPS模塊

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（34mm×55mm×3mm）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。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.輸入輸出模塊

車載終端的輸入主要有遙控器輸入（主要輸入設(shè)備）和手柄輸入兩種方式?？紤]到在緊急情況下手柄輸入的局限性，本文采用遙控器作為主要輸入設(shè)備，可以用來完成語音撥號、收發(fā)短消息、醫(yī)療求助、維修求助、啟閉設(shè)備等功能。

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。

三、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，如增加新協(xié)議。

軟件系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

1.軟件系統(tǒng)的工作流程

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。

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，對于這種數(shù)據(jù)量小、多點(diǎn)分散、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GPRSmodem中，通過數(shù)據(jù)端對GPRSmodem正確的AT指令設(shè)置后，就可以用AT撥號指令進(jìn)行撥號連接，當(dāng)收到GPRSmodem的撥號反饋應(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。

3.城市智能交通的未來發(fā)展趨勢

隨著城市交通問題的日益發(fā)展，城市交通綜合信息平臺、全球定位與車載導(dǎo)航系統(tǒng)、城市公共交通車輛以及出租車的車輛指揮與調(diào)度系統(tǒng)、城市綜合應(yīng)急系統(tǒng)都將迎來較大的發(fā)展機(jī)遇。

總體而言，城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將表現(xiàn)為綜合化、多部門驅(qū)動(dòng)型的發(fā)展模式。由于城市智能交通體系將涉及相關(guān)的市民、公安交通管理、交通部門車輛管理、城市建設(shè)、通信等相關(guān)部門工作，因而未來城市智能交通的發(fā)展過程必然是一個(gè)涉及以交通與公安為主的多部門驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過程。

四、總結(jié)

本文介紹了基于GPS／GPRS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)終端的實(shí)現(xiàn)方案，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統(tǒng)、物流運(yùn)輸系統(tǒng)、醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域，市場前景極為廣闊。