基于GSM的GPS車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)

利用GPS(Global Positioning System)來作定位導(dǎo)航是GPS的最基本應(yīng)用，隨著我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,車輛日益增多,交通運(yùn)輸?shù)慕?jīng)營(yíng)管理和合理調(diào)度已成為一個(gè)廣泛關(guān)注的問題,尤其是全球定位系統(tǒng)(GPS)從軍用轉(zhuǎn)為民用以后,GPS技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控有著其他監(jiān)控手段無法比擬的優(yōu)勢(shì),所以采用GPS技術(shù)對(duì)各種車輛實(shí)施監(jiān)控、調(diào)度管理是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

基于GSM的GPS車輛定位監(jiān)控系統(tǒng),是對(duì)車輛管理提出的較理想解決方案。該系統(tǒng)采用GPS技術(shù)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,利用GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,以電子地圖和空間信息系統(tǒng)為支撐平臺(tái),實(shí)現(xiàn)定位跟蹤、監(jiān)控報(bào)警、反劫防盜、指揮調(diào)度和信息查詢管理。整個(gè)系統(tǒng)是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)兩大部分組成,而地面移動(dòng)通信系統(tǒng)是由指揮監(jiān)控中心、車載移動(dòng)單元和GSM通信網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分組成。車載移動(dòng)單元設(shè)備可以為指揮監(jiān)控中心實(shí)時(shí)提供每一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的最新定位數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀況和報(bào)警信息等,并自動(dòng)記錄這些信息以便事后查詢分析，是用戶終端。指揮監(jiān)控中心結(jié)合GIS（Geographic Information System）電子地圖,實(shí)時(shí)地顯示出當(dāng)前監(jiān)控、指揮的車輛的地理位置。GSM通信網(wǎng)絡(luò)則進(jìn)行數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像的傳輸。

系統(tǒng)監(jiān)控中心

系統(tǒng)監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括GSM通信網(wǎng)絡(luò)、GIS終端、電子顯示屏、監(jiān)控終端、主控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控中心接收車載移動(dòng)單元傳送來的車輛GPS定位數(shù)據(jù)信息，并對(duì)車輛的報(bào)警和調(diào)度信息進(jìn)行處理，通過GIS地圖匹配就能在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示車輛當(dāng)前精確位置，從而方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的調(diào)度、監(jiān)控、指揮等功能；同時(shí)也可通過GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)向指定的車載臺(tái)發(fā)送各種控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制和信息查詢服務(wù)。

圖1 GPS車輛監(jiān)控指揮系統(tǒng)中心結(jié)構(gòu)圖

車載移動(dòng)單元主要組成部分的設(shè)計(jì)

車載移動(dòng)單元是由主控制器CPU、GPS接收機(jī)、GSM無線通信模塊、功能控制單元（手柄）和液晶顯示屏組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 車載移動(dòng)單元硬件結(jié)構(gòu)原理圖

車載移動(dòng)單元通過GPS接收天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的定位信號(hào)，經(jīng)過CPU主控器處理，計(jì)算出車輛的日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、速度和行駛方向等定位數(shù)據(jù)。主控制器CPU是核心，處理接收機(jī)發(fā)來的定位信息，將定位信息和監(jiān)控中心發(fā)來的控制信息顯示在液晶屏上，并控制GSM模塊進(jìn)行短信息的收發(fā)，手柄控制單元實(shí)現(xiàn)遙控監(jiān)聽、請(qǐng)求服務(wù)、中文短信息接收及通話等功能。由于GSM無線模塊和GPS模塊都以串口通信方式與MCU相連，因此硬件設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，在本設(shè)計(jì)中MCU選擇華邦公司的W77E58，是因?yàn)樗鼛в袃蓚€(gè)串行口能同時(shí)與GSM模塊、GPS模塊進(jìn)行通信，并且它的指令完全兼容MCS-51，片內(nèi)有32k flash MTP ROM，可編程的看門狗定時(shí)器等，采用它可以省去很多外圍元器件，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)主控制器電路如圖3所示。

GSM無線通信

GPS車輛定位監(jiān)控管理系統(tǒng)的通信方式有兩種：專用無線通信網(wǎng)和公眾GSM網(wǎng)。GPS/GSM車輛定位監(jiān)控管理系統(tǒng)利用GSM短信息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，短信息業(yè)務(wù)在移動(dòng)臺(tái)和移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心之間建立的是信令連接，具有優(yōu)先權(quán)，可通率極高，誤碼率極低。這是GSM公眾網(wǎng)帶來的專用網(wǎng)和集群網(wǎng)無法比擬的好處。短消息用于車輛監(jiān)控最大的優(yōu)點(diǎn)在于建立連接簡(jiǎn)單，接續(xù)快，服務(wù)費(fèi)用低，這適合定時(shí)把定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心。

圖3 系統(tǒng)主控制器電路

圖4 WM01-G900/1800外圍電路設(shè)計(jì)框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，我們選用WM02-G900/1800。它的外圍電路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，其相關(guān)的性能指標(biāo)如表1所示。它與單片機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的串行口進(jìn)行通信，通信的最高波特率可以達(dá)到 115 200b/s。GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIMDATA信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了保證發(fā)送短消息與短消息到達(dá)之間的時(shí)間間隔盡量短，選用的SIM卡最好是同一個(gè)電信運(yùn)營(yíng)商提供的。在使用GPRS功能時(shí)，還需要選擇支持GPRS的SIM卡，并開通GPRS服務(wù)。該模塊還支持驅(qū)動(dòng)兩路麥克風(fēng)、兩路揚(yáng)聲器和一路蜂鳴器。其中一路麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器可以連到手柄的聽筒上，以實(shí)現(xiàn)車載電話功能；另一路可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽和免提功能，但這兩路不能同時(shí)工作，如果在通話中需用免提方式，可以通過AT指令：AT+SPEAKER=0或1進(jìn)行切換。

WM02-G900/1800的I/O接口的邏輯電平是3V，當(dāng)它與微控制器串口通信時(shí)，要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，筆者在應(yīng)用中選用MAX3237/3238進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果需用GPRS業(yè)務(wù)，也可以選擇西門子公司生產(chǎn)的TC-45模塊和索尼愛立信公司的GR47，它們支持GSM/GPRS格式的傳輸。

控制WM02-G900/1800模塊進(jìn)行短信息的收發(fā)及語(yǔ)音通信是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如果對(duì)相關(guān)的AT指令不熟悉就不能進(jìn)行正確地設(shè)置，那么就會(huì)影響本系統(tǒng)的正常工作，帶來難以預(yù)料的后果。

GPS接收機(jī)及其數(shù)據(jù)格式

GPS OEM板用于接收GPS衛(wèi)星的信號(hào)，并計(jì)算出車載終端目前所在位置。它由變頻器、信號(hào)通道、微處理器和存儲(chǔ)單元組成。GPS模塊通過串行口向主控制器發(fā)送定位坐標(biāo)；主控制器也可以向GPS模塊發(fā)送設(shè)置命令，以控制GPS模塊的狀態(tài)和工作方式。GPS模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。一般在比較開闊的地區(qū)，需接收到三顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)才能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在車載GPS智能終端系統(tǒng)中，把天線放置在車頂可以有比較好的定位效果。我們選擇TFAG10 GPS RECEIVER。其性能指標(biāo)如表2所示。

TFAG10 GPS RECEIVER接收機(jī)語(yǔ)句的輸入、輸出是通過RS-232串行接口完成，符合美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。其通信端口的數(shù)據(jù)格式應(yīng)該設(shè)置為8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位和1個(gè)停止位；無奇偶校驗(yàn)；波特率為4800b/s。NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)的輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，其內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀態(tài)等信息。語(yǔ)句有五種，對(duì)于不同的應(yīng)用，選用的語(yǔ)句記錄也不同，在本設(shè)計(jì)中只關(guān)心日期和時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度，因此只選用RMC記錄語(yǔ)句。一條$GPRMC語(yǔ)句包含13個(gè)記錄：語(yǔ)句標(biāo)識(shí)頭、世界時(shí)間、定位狀態(tài)、緯度、緯度方位、經(jīng)度、經(jīng)度方位、地面速度、地面路線、日期、磁偏角、校驗(yàn)和結(jié)束標(biāo)記，它一共占用70字節(jié)(其中還包括用于分隔記錄所使用的11個(gè)逗號(hào))，例如:
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10

電源設(shè)計(jì)

車載設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中我們重點(diǎn)考慮如下問題：

● 充分考慮汽車電源的波動(dòng)和脈沖干擾，選擇合適的電源濾波器；
● 由于汽車電瓶有+12V和+24V，車載設(shè)備的電源應(yīng)設(shè)計(jì)成寬輸入電壓（我們選擇的電源模塊的輸入電壓范圍為7～35V）；
● 車載設(shè)備應(yīng)選用低功耗器件和采取停車時(shí)使GPS模塊和GSM模塊斷電等措施，最大限度地降低車載設(shè)備的功耗，以免汽車停車時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)損壞汽車電瓶。對(duì)50AH的汽車電瓶而言，如果車載終端的待機(jī)電流為140mA，則泊車時(shí)能堅(jiān)持357小時(shí)約15天；
● 應(yīng)采取過流、過壓保護(hù)措施。

在本系統(tǒng)中，我們采用LM2596系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，其主要性能指標(biāo)如表3所示。

經(jīng)實(shí)際使用證明，采用LM2596系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路作為本系統(tǒng)的電源模塊不僅可以提高電源的工作效率，減少能源損耗，減少對(duì)核心器件的熱損害，而且可減少外部汽車電平電壓大幅波動(dòng)對(duì)器件的干擾，同時(shí)可降低經(jīng)電源竄入的脈沖干擾，這對(duì)保障系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行能起到事半功倍的作用。電源電路如圖5所示。

系統(tǒng)設(shè)備的工作方式

設(shè)備安裝好后首次通電，車載設(shè)備即開始工作。

車輛熄火后，用戶應(yīng)用遙控器開啟防盜功能，此時(shí)各防盜輸入、車門開閉檢測(cè)馬上起作用，直到用戶使用遙控器撤防。車輛的設(shè)/撤防憑借聯(lián)動(dòng)汽車尾燈與警笛進(jìn)行確認(rèn)。如設(shè)防時(shí)車門未關(guān)好，能通過聲光提示。
通常，車載設(shè)備的GSM模塊處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)接收到中心的指令時(shí)，車載設(shè)備才依中心指令發(fā)送短信息。

無論車輛在行駛中或正常停放，一旦車上的緊急報(bào)警按鈕被按下，或醫(yī)療求助、交通救援按鈕被按下，車載設(shè)備可立刻自動(dòng)通過移動(dòng)電話以短信息方式向中心報(bào)告位置及報(bào)警類型。而與車載設(shè)備相連接的防盜報(bào)警感應(yīng)裝置只有在車輛停駛并已經(jīng)設(shè)防的情況下被觸發(fā)后，才立刻自動(dòng)通過GSM模塊以短信息方式向中心報(bào)告位置及報(bào)警類型。

車載設(shè)備可通過接收中心的熄火/點(diǎn)火及開、關(guān)車門指令，并通過聯(lián)動(dòng)配接的裝置完成相應(yīng)操作。

手柄除具有正常的電話功能外?？捎脕碓O(shè)置車載設(shè)備所對(duì)應(yīng)的短信息服務(wù)中心號(hào)碼，報(bào)警監(jiān)控中心與監(jiān)控服務(wù)中心的短信息被叫號(hào)碼，監(jiān)聽電話號(hào)碼、設(shè)備ID號(hào)、密碼，并且能中文顯示接收到的短信息等。

可通過遙控編程方式更改車載設(shè)備的ID編號(hào)、報(bào)警監(jiān)控中心與監(jiān)控服務(wù)中心的短信息被叫號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔、超速限制值、行駛區(qū)域限制值等。