基于GPS／GPRS的車輛移動(dòng)監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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1 GPS與GPRS
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開始研制的具有在海、陸、空全方位實(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)，由于能為用戶目標(biāo)提供全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)，已被廣泛應(yīng)用于地面移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位。
隨著移動(dòng)GPRS業(yè)務(wù)的開展，利用GPRS來(lái)進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)明顯。GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))是一種以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳輸高速、低速數(shù)據(jù)及信令的高效數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸方式來(lái)說(shuō)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸具有突出的優(yōu)點(diǎn)。一方面，GPRS資費(fèi)比較便宜，可以采用多種資費(fèi)方案。對(duì)于大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的用戶可以采用包月的方式，對(duì)于小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的用戶可以根據(jù)通信的數(shù)據(jù)量和提供的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)費(fèi)。另一方面，在GPRS網(wǎng)中，用戶只需與網(wǎng)絡(luò)建立一次連接，就可長(zhǎng)時(shí)間的保持這種連接，并只在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才占用信道并被計(jì)費(fèi)，保持時(shí)不占用信道不計(jì)費(fèi)。這樣，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不用頻繁建立連接，也不必支付傳輸間隙時(shí)的費(fèi)用，而且GPRS能夠較好地支持頻繁、少量突發(fā)型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此外，GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無(wú)縫連接。由于GPRS網(wǎng)本身是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP／IP，X.25等協(xié)議，可以直接與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(IP網(wǎng)或X.25網(wǎng))互通，接入速度快于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
2 系統(tǒng)組成和功能
整個(gè)基于GPS／GPRS車輛監(jiān)控系統(tǒng)由車載移動(dòng)終端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。其系統(tǒng)組成如圖1所示。
移動(dòng)車輛配備的GPS接收機(jī)用以獲取自己當(dāng)前的位置、時(shí)間等信息，通過(guò)GPRS或短信的方式上傳到中心通信服務(wù)服務(wù)器。在監(jiān)控中心站，通訊服務(wù)器接收各監(jiān)控目標(biāo)的位置信息，并通過(guò)通信控制器送往中心服務(wù)器在電子地圖中顯示，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(guò)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。
3 車載移動(dòng)監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，車載終端實(shí)現(xiàn)的主要功能有移動(dòng)監(jiān)控功能，當(dāng)接收到監(jiān)控中心的監(jiān)控命令后，自動(dòng)地根據(jù)要求將位置信息通過(guò)GPRS或SMS發(fā)送到監(jiān)控中心；車體控制功能，根據(jù)接收的控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)車體的控制，比如點(diǎn)火線等端口的監(jiān)測(cè)、斷電／油路；安防功能，當(dāng)汽車遇到特殊情況，如遇劫等，可以通過(guò)按鈕發(fā)送SMS向監(jiān)控中心報(bào)警。
3.1 系統(tǒng)組成的硬件框圖
車載移動(dòng)終端由主控處理器、GPRS通信模塊、GPS模塊等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。根據(jù)車載設(shè)備低功耗的要求，主控芯片上我們選用了SAMSUNG公司的S3C44B0X。S3C44B0X采用ARM7TDMI內(nèi)核，并提供豐富的內(nèi)置部件，包括：8 kB cache、內(nèi)部SRAM、LCD控制器、帶自動(dòng)握手的2通道UART、I／O端口、8通道10位ADC、PLL倍頻器等，他的低功耗精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。
GPRS模塊是整個(gè)系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，我們采用SI-MENS的MC35i。MC35i是新一代GSM／GPRS雙模模塊，支持GSM900／GSM1800雙頻和GRPS Class 8／ClassB。MC35i體積小巧，功耗低，能提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信、傳真功能，可廣泛用于遙感測(cè)量記錄傳輸、遠(yuǎn)程信息處理、電話。GPRS模塊通過(guò)串行口UART2與主控芯片通信。
GPS接收單元我們采用μ-blox的GPS-MS1E，他具有高捕獲和靈敏度、超低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，主控芯片對(duì)GPS的控制主要是通過(guò)串行口UART1接收GPS定位信息。
用戶按鍵與SC44B0的相應(yīng)的I／O口連接以便控制器狀態(tài)變化。同時(shí)系統(tǒng)還預(yù)留了豐富的外圍接口，可靈活外接各種數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，具有較大的可擴(kuò)展性。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于車載終端需要完成與GPS模塊、GPRS模塊、其他I／O模塊的交互和監(jiān)控，單一的任務(wù)無(wú)法完成，因此需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。在嵌入式操作系統(tǒng)上選用美國(guó)著名RTOS廠商ATI公司的Nucleus PLUS。他是在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Nucleus基礎(chǔ)，為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。Nucleus PLUS對(duì)CPU的支持能力比較強(qiáng)，支持當(dāng)前流行的大多數(shù)RISC，CISC，DSP處理器。其95％的代碼是用ANSI C寫成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS提供了任務(wù)控制、任務(wù)通信、任務(wù)同步、內(nèi)存管理、可編程的定時(shí)器、標(biāo)準(zhǔn)的輸入／輸出設(shè)備接口等系統(tǒng)服務(wù)。
按功能上將系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為9個(gè)模塊，每個(gè)模塊由一個(gè)主任務(wù)和若干個(gè)子任務(wù)組成，任務(wù)內(nèi)部采用有限狀態(tài)機(jī)的方式進(jìn)行切換，任務(wù)之間采用消息管道(pipe)進(jìn)行通信，每個(gè)模塊都定義了自己的消息接受管道。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖3所示。
(1) 主控模塊是系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制，以消息分發(fā)的方式與其他模塊交互，并控制其運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到總體控制系統(tǒng)運(yùn)行的目的。根據(jù)系統(tǒng)工作時(shí)處理的不同任務(wù)將主控模塊劃分為啟動(dòng)上電、正常工作、處理SMS數(shù)據(jù)、處理GPRS數(shù)據(jù)和退出下電五個(gè)狀態(tài)。主控模塊的任務(wù)名為SyscMain，他有自己的消息接收管道pipe[SY-SC]，他循環(huán)地從此管道中接收和處理消息，并根據(jù)消息體的內(nèi)容在主控模塊的不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移切換，同時(shí)通過(guò)向其他模塊的消息管道發(fā)送消息來(lái)控制他們的運(yùn)行狀態(tài)，另一方面其他模塊通過(guò)消息管道向主控通知其自身的運(yùn)行狀態(tài)和接受的數(shù)據(jù)，以接受主控模塊的監(jiān)控。
(2) GPS模塊主要負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)的接收和解析。由于GPS輸出數(shù)據(jù)采用NMEA-0183格式，輸出數(shù)據(jù)為多種格式，在本系統(tǒng)中，僅選擇了取其中的一種數(shù)據(jù)格式：GPRMC(推薦最小數(shù)據(jù)量的GPS信息)，其格式為(見表1)：
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<lO>，<11>，<12>*hh
當(dāng)GPS輸出數(shù)據(jù)為有效定位數(shù)據(jù)時(shí)，提取相應(yīng)的信息(經(jīng)緯度、高度、速度等)，同時(shí)轉(zhuǎn)換UTC時(shí)間為本地時(shí)間，封裝為系統(tǒng)自定義的GPS DATA數(shù)據(jù)格式發(fā)送到通信任務(wù)模塊。
(3) PPP模塊負(fù)責(zé)GPRS的底層PPP連接和PPP數(shù)據(jù)包的處理。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)為在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接上傳輸多協(xié)議數(shù)據(jù)包提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法。在TCP／IP協(xié)議集中他是一種用來(lái)同步調(diào)制連接的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。該模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)TCP／IP協(xié)議棧低層的PPP協(xié)議的連接和釋放，以及相應(yīng)收到的PPP數(shù)據(jù)幀的處理與上層的TCP／IP層交互。主要包括PPP協(xié)議數(shù)據(jù)幀的封裝方式、初始化的LCP協(xié)議的協(xié)商、PAP密碼驗(yàn)證和NCP協(xié)議的協(xié)商過(guò)程的處理。該模塊由外掛模塊Nucleus NET提供支持。
(4) 通信模塊(GPRS模塊)負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心系統(tǒng)通信，完成GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)和短消息的收發(fā)。CPU對(duì)GPRS的控制主要是通過(guò)UART2發(fā)送AT命令實(shí)現(xiàn)。GSM AT指令集是由諾基亞、愛立信、摩托羅拉和HP等廠家共同為GSM系統(tǒng)研制的，提供了一種移動(dòng)平臺(tái)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口，并被加入到GSM 07.05標(biāo)準(zhǔn)以及之后的GSM 07.07標(biāo)準(zhǔn)。用戶可以通過(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)呼叫控制、短消息SMS、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。
為滿足用戶進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)通信的要求，NucleusNET作為外掛模塊能與Nucleus PLUS無(wú)縫結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。Nucleus NET通常使用TCP／UDP協(xié)議的客戶／服務(wù)器運(yùn)行模式，完成建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)的工作。
TCP／IP的建立過(guò)程中，首先調(diào)用Nucleus NET提供的NU_init函數(shù)初始化GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)置AT指令來(lái)完成，包括檢測(cè)是否連接到網(wǎng)絡(luò)(AT+CREG)，通信信號(hào)強(qiáng)弱(AT+CSQ)以及SIM卡的PIN值是否輸入(AT+CPIN)等。然后用PPP撥號(hào)方式撥入GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成底層的數(shù)據(jù)鏈路層的連接，這部分由上述的PPP模塊來(lái)完成。接著調(diào)用Nu_Socket函數(shù)為他的通信分配一個(gè)套接字，然后調(diào)用NU_Connect函數(shù)與監(jiān)控中心服務(wù)器建立連接成功后，就可以進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送NUSend.和接受NU_Reev．
在監(jiān)控中心服務(wù)器和移動(dòng)終端上的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議上，為了兼容GPRS和GSM短消息這兩種通信方式，系統(tǒng)自定義了如圖所示的通信幀結(jié)構(gòu)，其中協(xié)議幀最大長(zhǎng)度為140 B，包括幀控制字節(jié)。
其中固定使用字母“A”作為幀頭；幀類型用來(lái)表示該幀的具體含義，當(dāng)為下行通信幀(監(jiān)控中心服務(wù)器→終端)時(shí)表示為監(jiān)控中心對(duì)終端的控制命令類型，比如設(shè)定定時(shí)報(bào)位命令、設(shè)定超速報(bào)警命令、終端配置命令等。當(dāng)為上行通信幀(終端→監(jiān)控中心服務(wù)器)時(shí)該字節(jié)省略；幀長(zhǎng)為該幀體字段的長(zhǎng)度；幀長(zhǎng)的反為幀長(zhǎng)字段按位取反的結(jié)果；幀體是個(gè)串類型，依據(jù)幀類型的不同表示不同的含義，當(dāng)該幀為上行通信幀時(shí)，幀體的內(nèi)容為系統(tǒng)自定義的GPS數(shù)據(jù)；幀序號(hào)從0開始到255后歸0，用來(lái)對(duì)幀順序進(jìn)行判斷；校驗(yàn)和為幀類型、幀長(zhǎng)、幀長(zhǎng)的反、幀序號(hào)、幀體幾個(gè)字段各字節(jié)按字節(jié)異或的結(jié)果，用來(lái)判斷該幀的正確性。
另一方面，用戶還可以通過(guò)按鍵發(fā)送SMS來(lái)上報(bào)監(jiān)控中心。主控芯片利用串口向GSM Modem收發(fā)一系列的GSM 07.05標(biāo)準(zhǔn)所定義的AT命令集，就能達(dá)到控制收發(fā)SMS的目的。根據(jù)GSMGSM 07.05標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SMS的控制共有3種接入?yún)f(xié)議：Block Mode；基于AT命令的TextMode；基于AT命令的PDU Mode。本系統(tǒng)采用PDU模式對(duì)短信息正文經(jīng)過(guò)十六進(jìn)制編碼后傳送。PDU模式下可以采用3種編碼方式來(lái)對(duì)發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行編碼，他們是7 b，8 b和UCS2編碼。7 b編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，他將一串7 b的字符(最高位為0)編碼成8 b的數(shù)據(jù)，每8個(gè)字符可“壓縮”成7個(gè)；8 b編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息；而UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。發(fā)送SMS的具體過(guò)程為：
①首先發(fā)送AT以測(cè)試GSM Modem連接是否正常，等待GSM Modem返回OK；
②發(fā)送ATE0設(shè)置GSM Modem取消回顯模式，等待返回OK；
③發(fā)送AT+CMGF=0設(shè)置發(fā)送短信時(shí)選用PDU格式編碼，等待返回OK；
④接下來(lái)為正式發(fā)送SMS，先調(diào)用PDU編碼函數(shù)對(duì)接收到GPS數(shù)據(jù)GPS_DATA進(jìn)行編碼，并根據(jù)通信協(xié)議封裝為上行通信幀格式，然后發(fā)送指令。
AT+CMGS=監(jiān)控中心短消息號(hào)碼+回車符(0x0d，0x0a)+上行通信幀數(shù)據(jù)+回車符(0x0d，0x0a)，等待返回OK。
上述的每個(gè)步驟完成后都必須加上回車符號(hào)(0x0d，0x0a)以使GSM Modem區(qū)別為不同的AT指令，而且都必須等待相應(yīng)的應(yīng)答，若失敗(回應(yīng)ERROR)，需重新發(fā)送該AT指令。
(5) 附件模塊負(fù)責(zé)終端硬件設(shè)備的檢測(cè)，并通知主控模塊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)K端硬件的控制。
CPU對(duì)其他外圍接口的控制主要通過(guò)通用I／O口實(shí)現(xiàn)開關(guān)(電平)輸入／輸出，同時(shí)通過(guò)外部中斷的方式實(shí)現(xiàn)了與點(diǎn)火信號(hào)、車用防盜報(bào)警器、緊急報(bào)警(SOS)等的接口。
4 結(jié) 語(yǔ)
使用GPRS作為GPS車輛綜合監(jiān)控調(diào)度管理系統(tǒng)的無(wú)線傳輸手段，具有費(fèi)用低、無(wú)需線纜施工及安全可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)先進(jìn)的系統(tǒng)構(gòu)建方案，這將使車輛監(jiān)控系統(tǒng)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的基于GPS／GPRS的車載移動(dòng)終端已投入實(shí)際運(yùn)行，工作穩(wěn)定，能夠較精確地完成車輛監(jiān)控，操作簡(jiǎn)單方便。
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