GPS_GPRS定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)車載終端應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　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(jì)的一種車載監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為車載系統(tǒng)）,并重點(diǎn)介紹了車載系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)車輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸,以實(shí)施對(duì)車輛運(yùn)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(diǎn)

　　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(gè)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(jiǎn)要介紹。

　　全球定位系統(tǒng)（GPS,Global Positioning System）是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開始研制、歷時(shí)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(shí)時(shí)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(huì)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(jì) 可以在一個(gè)載頻或8個(gè)信道中實(shí)現(xiàn)捆綁）和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率改進(jìn)實(shí)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(dòng)用戶能夠同時(shí)共享一個(gè)無線信道,一個(gè)移動(dòng)用戶也可以使用多個(gè)無線信道。實(shí)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(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用。

　　為了實(shí)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(shí)體：服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（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(diǎn)正適合大多數(shù)移動(dòng)互聯(lián)的應(yīng)用。

　　基于以上對(duì)GPS系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹,可以得出GPS_GPRS定位系統(tǒng)車載終端的組成及特點(diǎn)。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。客戶端可以通過專用GIS軟件或IE瀏覽方式,對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控,并可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)車載終端進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸,完成對(duì)車輛運(yùn)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(shí)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(dòng)發(fā)送實(shí)時(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)與車用防盜報(bào)警器、緊急報(bào)警（SOS）、醫(yī)療服務(wù)、故障服務(wù)、繼電器輸出、警示嗽叭、點(diǎn)火信號(hào)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(shí)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(shí),系統(tǒng)終端自動(dòng)啟動(dòng)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(duì)監(jiān)聽號(hào)碼（接警號(hào)碼）進(jìn)行設(shè)置并發(fā)送監(jiān)聽命令（監(jiān)聽電話主動(dòng)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(shí),系統(tǒng)終端將自動(dòng)啟動(dòng)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(cè)示警及后備電源自動(dòng)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(shí)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(shí)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：

　?。?）CPU對(duì)GPRS的控制

　　主要是通過串行口UART0發(fā)送AT命令實(shí)現(xiàn)。同時(shí),在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,CPU還可以通過控制I/O口電平輸出狀態(tài),對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊的保護(hù),最好在軟件復(fù)位命令無效時(shí),才選擇硬件復(fù)位）。

　?。?）CPU對(duì)GPS的控制

　　主要是通過串行口UART1發(fā)送控制命令實(shí)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(shí)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(shí),對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間才為當(dāng)前準(zhǔn)確時(shí)間。

　　圖3 GPS數(shù)據(jù)格式（GPRMC）

　?。?）CPU對(duì)其它外圍接口的控制

　　主要通過通用I/O口實(shí)現(xiàn)開關(guān)（電平）輸入/輸出,同時(shí)通過外部中斷的方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)與車用防盜報(bào)警器、緊急報(bào)警（SOS）、醫(yī)療服務(wù)、故障服務(wù)、點(diǎn)火信號(hào)等的接口。

　?。?）CPU對(duì)系統(tǒng)的整體控制：

　　首先,CPU完成對(duì)GPRS、GPS及外圍接口的初始化工作;其次,CPU通過串行口UART1對(duì)GPRS進(jìn)行操作,完成從撥號(hào)到PPP協(xié)商（創(chuàng)建PPP鏈路、用戶驗(yàn)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(shí)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(duì)系統(tǒng)終端的當(dāng)前狀 態(tài)作出測(cè)試及判斷,并對(duì)各種實(shí)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(jì)

　　在整個(gè)GPS_GPRS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)中,程序采用了模塊化設(shè)計(jì),軟件由一個(gè)主程序和若干個(gè)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(duì)各個(gè)功能模塊（即子程序）的調(diào)用,同時(shí)對(duì)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(jì)要點(diǎn)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(hào)、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(huì)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(shí),會(huì)檢測(cè)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(duì)命令的合法性作出判斷,并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　同時(shí),系統(tǒng)會(huì)定時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試,倘若網(wǎng)絡(luò)測(cè)試正常,則返回到繼續(xù)判斷控制命令及對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行處理;倘若網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(dòng)斷開網(wǎng)絡(luò)連結(jié),并對(duì)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(hào)、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(shí)及定時(shí)處理,由定時(shí)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(shí)還包括一些對(duì)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(shí)現(xiàn)子程序,具體框圖及說明略。

　　由以上對(duì)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(duì)用戶進(jìn)行注冊(cè);

　　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(cè)及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)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(hào)碼、更改操作密碼等）;

　　8：處理突發(fā)警情（自動(dòng)撥打監(jiān)聽中心號(hào)碼、上報(bào)求助警情信息等）。

    五、結(jié)語

　　利用GPRS的數(shù)據(jù)傳輸功能,對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)營(yíng)成本得到了極大的降低,同時(shí)其可操作性及實(shí)時(shí)性也都有了顯著的提高,而且成本較低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)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(shí),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(gè)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。