車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)中車(chē)載GPS GSM雙定位終端的設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，車(chē)輛的跟蹤監(jiān)控在物流等行業(yè)顯得越來(lái)越重要。車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)中，車(chē)裁定位終端多采用GPS技術(shù)進(jìn)行定位，而GPS定位雖然定位精度高但存在盲點(diǎn)較多的缺陷。而基于GSM網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)恰恰能彌補(bǔ)GPS定位盲點(diǎn)較多的缺點(diǎn)，從而可以有效地克服GPS定位盲點(diǎn)多的缺點(diǎn)，故該定位終端集成了GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)兩種定位方法的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定位終端可達(dá)到準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全天候、無(wú)盲點(diǎn)定位，大大提高了定位性能。
關(guān)鍵詞：GPS定位；GSM定位；定位終端；STK卡

l 引 言
    隨著我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，車(chē)輛日益增多，在交通運(yùn)輸?shù)慕?jīng)營(yíng)管理、合理調(diào)度、安全管理等方面GPS定位監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣為應(yīng)用。GPS定位技術(shù)的應(yīng)用給車(chē)輛、輪船等交通工具的導(dǎo)航定位提供了具體的實(shí)時(shí)的定位能力。通過(guò)車(chē)載GPS接收機(jī)，使駕駛員能夠隨時(shí)知道自己的具體位置。通過(guò)短消息形式將GPS定位信息發(fā)送給監(jiān)控指揮中心，監(jiān)控指揮中心便可將定位信息與電子地圖匹配從而及時(shí)掌握各車(chē)輛的具體位置。但是GPS衛(wèi)星定位時(shí)GPS天線(xiàn)要求對(duì)天空要有漏斗型的15°凈空視角且受云層的影響大。對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)GPS跟蹤導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行跟蹤，故當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)由于建筑物及樹(shù)木等的遮擋而使GPS無(wú)法進(jìn)行正常的導(dǎo)航跟蹤和定位。
    而基于GSM網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)恰恰能彌補(bǔ)GPS定位的這一缺點(diǎn)，并且GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣無(wú)盲點(diǎn)且能將位置信息傳送到遠(yuǎn)端?；谏鲜隹紤]，本文提出一種把GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)定位集成在一起的雙定位終端，該終端結(jié)合了GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)定位的優(yōu)點(diǎn)，克服了GPS定位盲點(diǎn)較多、GSM網(wǎng)絡(luò)定位精度較低的缺點(diǎn)，性能明顯提高。

2 系統(tǒng)概述
2．1 定位原理
    全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為用戶(hù)提供一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和高精度的時(shí)間信息。GPS接收機(jī)通過(guò)接收其視線(xiàn)內(nèi)的任意幾顆衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信息，換算出自身的位置和時(shí)間信息。
    中國(guó)移動(dòng)公司和中國(guó)聯(lián)通公司都開(kāi)通了位置服務(wù)功能。只要選用支持STK(SIM TOOL KIT)的SIM卡，并且當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)開(kāi)通了位置服務(wù)，即可通過(guò)STK命令得到位置信息。STK命令是一組開(kāi)發(fā)增值業(yè)務(wù)的命令，一種小型編程語(yǔ)言，它允許基于智能卡的用戶(hù)身份識(shí)別模塊SIM運(yùn)行自己的應(yīng)用軟件。STK卡就是帶有STK功能的SIM卡。STK命令會(huì)因GSM模塊生產(chǎn)廠(chǎng)家的不同而稍有差別，具體可以參考廠(chǎng)家的《STK命令用戶(hù)手冊(cè)》。
    GSM定位方法與GPS定位類(lèi)似，在GSM網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)移動(dòng)的基站位置已知，根據(jù)定位終端和各個(gè)基站之間通信時(shí)信號(hào)強(qiáng)弱等參數(shù)來(lái)確定定位終端到基站的距離，根據(jù)三個(gè)基站的位置和基站到定位終端的距離即可得定位終端的位置坐標(biāo)。
2．2 監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    定位系統(tǒng)由監(jiān)控中心和車(chē)載定位終端兩部分構(gòu)成，車(chē)載定位終端中GSM模塊不但與監(jiān)控中心通過(guò)短消息進(jìn)行通信之外還要通過(guò)sTK從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商獲得位置服務(wù)的信息。定位終端以短消息的形式將GPS位置信息或從GSM網(wǎng)絡(luò)獲得的定位信息發(fā)送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心集成GIS(Geographic Information System)地圖，依靠接收的短消息中的定位信息來(lái)完成終端與電子地圖的匹配及一些導(dǎo)航的指令等。監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

3 車(chē)載雙定位終端硬件的設(shè)計(jì)
3．1 車(chē)載終端硬件組成
    車(chē)載定位終端主要包括GSM模塊、電源模塊、語(yǔ)音模塊、LCD顯示模塊、GPS一OEM板。定位終端采用單片機(jī)作為控制芯片。GSM模塊則采用Siemens的TC39I GSM引擎模塊，在車(chē)載終端中TC39I GSM引擎模塊不但通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)獲得定位信息，還要通過(guò)短消息的形式與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。GPS一OEM板采用ASHTECH ACl2OEM板，該OEM板是美國(guó)THALES公司生產(chǎn)的功能最全、尺寸最小、功耗最低的專(zhuān)業(yè)級(jí)OEM板。ACl2不僅兼具GPS導(dǎo)航授時(shí)，還支持遠(yuǎn)端差分操作并且具有跟蹤星基增強(qiáng)系統(tǒng)，以及精確的載波相位測(cè)量性能。GPS—OEM板是將GPS接收機(jī)的主要部件做成大規(guī)模集成芯片，并集成在一塊電路板上。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．2 GPS一OEM板的工作原理
    GPS一OEM板主要由變頻器、標(biāo)頻器、信號(hào)通道、微處理器和存儲(chǔ)單元等組成。在完成初始自檢后，GPS—OEM板將自動(dòng)接收來(lái)自天線(xiàn)的GPS射頻信號(hào)，在低噪聲變頻器中變頻，由L頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)通道測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收天線(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送出的導(dǎo)航電文，最后由中央處理器解算出被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息，最后經(jīng)由I／O口輸出串行數(shù)據(jù)。
    GPS一OEM板的輸入輸出均遵循串行通信協(xié)議，都能輸出符合NMEA_0183標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼形式的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。用戶(hù)可以通過(guò)輸入語(yǔ)句對(duì)GPS—OEM板進(jìn)行初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)格式、波特率以及輸出語(yǔ)句種類(lèi)等信息，而輸出語(yǔ)句則是向用戶(hù)輸出GPS的各種數(shù)據(jù)信息。
3．3 整體硬件設(shè)計(jì)
    GSM模塊和GPS一OEM板均采用串行數(shù)據(jù)通信方式與MCU有兩個(gè)串口，分別為UARTl和UARTO實(shí)現(xiàn)通信，數(shù)據(jù)傳輸控制簡(jiǎn)單可靠。
    232電平轉(zhuǎn)換部分用來(lái)進(jìn)行TTL—RS232電平轉(zhuǎn)換。電源模塊為處理器、GSM引擎模塊、GPS模塊提供穩(wěn)定的電壓輸出。外部控制部分主要作用是接受人工報(bào)警等外部控制命令。GPS一OEM板用來(lái)提供位置信息、時(shí)間信息等數(shù)據(jù)，單片機(jī)定時(shí)從GPS—OEM板提取位置信息或是通過(guò)GSM引擎模塊依靠STK卡從GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提取位置信息，再通過(guò)GSM模塊的短消息形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，GSM模塊并向監(jiān)控中心接收和發(fā)送短消息。接收的短消息經(jīng)單片機(jī)處理可以以用戶(hù)容易理解的符號(hào)顯示在LCD屏上，也可以經(jīng)語(yǔ)言模塊轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音提示用戶(hù)。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    利用鍵盤(pán)對(duì)所測(cè)經(jīng)度、緯度、時(shí)間進(jìn)行粗略配置，可以縮短首次定位時(shí)間，實(shí)現(xiàn)迅速定位。并且可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入更改顯示的定位信息，可以選擇的信息有：經(jīng)緯度、北京時(shí)間、海拔高度等。由于薄膜按鍵式鍵盤(pán)只需要一個(gè)I／0口，既節(jié)省資源又縮短了程序量，所以在本設(shè)計(jì)中選用薄膜按鍵式鍵盤(pán)。
    在硬件設(shè)計(jì)中由于GSM模塊和GPS模塊都含有射頻模塊，為避免干擾，兩個(gè)模塊應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離。可以放在PCB板的兩邊或者對(duì)角線(xiàn)的兩個(gè)端點(diǎn)，實(shí)踐證明這樣的做法是行之有效的。

4 定位終端的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)對(duì)話(huà)模塊?？紤]到GPS比GSM定位準(zhǔn)確，所以定位時(shí)以GPS定位為主以GSM定位為輔。車(chē)載終端處在GPS盲點(diǎn)區(qū)域(如車(chē)庫(kù)、林蔭道等)無(wú)法定位時(shí)利用GSM進(jìn)行定位。主程序流程如圖4所示。

4．1 初始化模塊
    主要是完成開(kāi)機(jī)上電后對(duì)MCU、液晶顯示模塊、ACl20 OEM板的初始化工作。對(duì)于MCU要設(shè)置其串口工作模式、中斷工作模式和波特率；對(duì)于液晶顯示模塊要設(shè)置開(kāi)機(jī)畫(huà)面和顯示模式；對(duì)于A(yíng)Cl20 OEM板需要設(shè)置波特率成功完成串口通訊。
4．2 數(shù)據(jù)處理模塊
    該模塊主要是負(fù)責(zé)處理從GPS一OEM板接收的數(shù)據(jù)、從鍵盤(pán)輸人的數(shù)據(jù)。ACl20 OEM板的輸出語(yǔ)句的刷新頻率為1 Hz，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，提高M(jìn)CU的利用率，采用中斷方式接收而非查詢(xún)方式。
4．3 人機(jī)對(duì)話(huà)模塊
    該模塊主要是處理鍵盤(pán)輸入和顯示模塊操作。在GPS一OEM板的初始化配置過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際需求配置OEM板的語(yǔ)句設(shè)置，另外一項(xiàng)重要的工作完成MCU與液晶模塊之間的數(shù)據(jù)通信和處理。

5 結(jié) 語(yǔ)
    由于GPS定位準(zhǔn)確，GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣無(wú)盲點(diǎn)，故該終端首選用GPS定位，當(dāng)GPS無(wú)法定位時(shí)，啟動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)定位對(duì)車(chē)載終端進(jìn)行定位，可克服單純GPS定位或GSM定位的缺點(diǎn)，且成本較低。實(shí)踐證明，本定位終端可以在城市高樓區(qū)、林蔭道、車(chē)庫(kù)內(nèi)等因GPS衛(wèi)星信號(hào)丟失而無(wú)法定位的地方啟用GSM網(wǎng)絡(luò)定位，從而提高定位的穩(wěn)定性。它是一個(gè)能提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、交互信息的系統(tǒng)，基本可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且無(wú)盲點(diǎn)的定位，保障定位的效果。該系統(tǒng)在科技、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保上都是完全可行的。