出租車GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：本文根據(jù)出租車公司對車輛定位功能的要求，以單片機(jī)MSP430F147為核心，集成GPS模塊、GPRS模塊，詳細(xì)論述了出租車GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集運(yùn)行出租車車輛的實(shí)時(shí)位置信息，并且可以將采集到的信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車運(yùn)營公司，為出租車公司對車輛的監(jiān)控調(diào)度提供了方便。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；GPS模塊；GPRS模塊
引言
 

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，出租車作為城市公共交通的一部分，已經(jīng)成為廣大市民出行必不可少的交通工具。但是隨之而來的出租車監(jiān)控調(diào)度、安全管理卻成了每個(gè)出租車公司的一大問題。如何簡單快捷的對出租車進(jìn)行合理的調(diào)度管理，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控每輛出租車的安全狀況，針對這一問題我們開發(fā)了出租車GPS定位系統(tǒng)，此系統(tǒng)大大方便了出租車公司對出租車的調(diào)度管理，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控出租車的位置以及安全狀況。
出租車GPS定位系統(tǒng)的功能
 

出租車GPS定位系統(tǒng)是出租車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，可以向出租車監(jiān)控調(diào)度中心提供出租車的實(shí)時(shí)位置信息，保證出租車運(yùn)行安全，以便對出租車進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，出租GPS定位系統(tǒng)的功能如下：
1）信息采集功能
GPS定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確無誤的采集車輛的實(shí)時(shí)信息（如經(jīng)度、維度、速度、方向等）。
2）數(shù)據(jù)存儲功能
可以存儲車輛ID號、停車前5分鐘的速度信息以及連續(xù)行車時(shí)間等信息。
3）數(shù)據(jù)傳輸功能
 

可以將采集到的出租車實(shí)時(shí)信息通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心，便于監(jiān)控調(diào)度中心實(shí)時(shí)監(jiān)控出租車輛的位置以及安全狀況。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
 

系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F147為核心控制器，集成GPS模塊、GPRS模塊、串行存儲器模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖
Fig.1 System diagram
2.1 單片機(jī)單元
 

系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F147單片機(jī)作為核心控制器[1]，此款單片機(jī)具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個(gè)通用全雙工串行同步/異步通信接口；6個(gè)8位I/O口；外部中斷輸入接口。單片機(jī)串口0負(fù)責(zé)接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效信息數(shù)據(jù)，一方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，另一方面將信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心。
2.2 GPS模塊
2.2.1 GPS概述
 

GPS（Global Positioning System）是美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。它是目前世界上精度高的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟(jì)、地理信息測控及其他領(lǐng)域。GPS定位系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）以及GPS信號接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）。
2.2.2 GPS模塊介紹
 

GPS采用GS-87模塊[2]，它是一個(gè)高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRF star III公司所設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPS Antenna（GPS天線）接收衛(wèi)星信號，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流。電流經(jīng)過LNA（低噪音放大器）被放大，在通過filter 濾波器將其變頻處理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3組成)進(jìn)行處理，將處理后的信號通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接。用戶通過對單片機(jī)的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出對用戶有用的信息。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig.2 System diagram
2.3 GPRS模塊
2.3.1 GPRS概述
 

GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業(yè)務(wù)的簡稱，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接；是GSM Phase2.1規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbit/s更高的數(shù)據(jù)率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時(shí)只需要增加部分硬件設(shè)備和軟件升級即可。構(gòu)建GPRS系統(tǒng)的方法：1）GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入了3個(gè)主要組件：GPRS服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)（SGSN，Serving GPRS Supporting Node)、GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)（GGSN，Gateway GPRS Supporting Node)以及分組控制單元（PCU，Package Control Unit）。2）對GSM的相關(guān)部件進(jìn)行軟件升級。
GPRS的數(shù)據(jù)傳輸具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）采用的時(shí)分組交換技術(shù)的通信方式。（2）按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，而不是按在線時(shí)長計(jì)費(fèi)。（3）傳輸速率高。（4）永遠(yuǎn)在線。（5）GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。（6）GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。（7）GPRS 的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。
2.3.2 GPRS模塊介紹

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊[3]，它是GPS定位系統(tǒng)與出租車公司監(jiān)控調(diào)度中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊一方面可以將GPS模塊采集到的車輛定位信息（如時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度、方向等）實(shí)時(shí)發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心的服務(wù)器上；另一方面還可以接收來自出租車監(jiān)控調(diào)度中心的調(diào)度命令。實(shí)現(xiàn)GPS定位系統(tǒng)與監(jiān)控調(diào)度中心的雙向通信。
2.3.3 GPRS接口電路設(shè)計(jì)
 

MC52i模塊與MSP430F147通過串口以及信號控制引腳相連，電路連接圖如圖3所示。MC52i的26-30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3V～4.8V，峰值負(fù)載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為MC52i模塊的數(shù)據(jù)接收端口與數(shù)據(jù)輸出端口，分別連接到單片機(jī)串口（UART1）的TXD1與RXD1。MC52i的1-6引腳為外接SIM卡提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時(shí)鐘脈沖信號；CCIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復(fù)位信號；CCIN引腳主要用來檢測SIM卡是否插入SIM卡卡座中。

圖3 MC55連接原理圖
Fig.3 MC55Connection diagram
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 主程序功能
 

主程序負(fù)責(zé)初始化、開中斷、分析解析GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)發(fā)送、指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入各種相應(yīng)的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖4a。
3.1 GPS數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)
 

車載終端設(shè)備需要從GPS定位信息中提取出有效信息，所以也需要了解各種NMEA數(shù)據(jù)的含義。下面僅列出GPS最小數(shù)據(jù)輸出語句（GPRMC）輸出范例。輸出范例：$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>, <5>,<6>,<7>,<8>,<9>, ,*70。<1>:格林尼治時(shí)間；<2>:信息狀態(tài)，‘A’信息有效 ‘V’信息無效；<3>：緯度；<4>：北半球或南半球標(biāo)志，北半球（N）或南半球（S）；<5>：經(jīng)度；<6>：東半球或西半球標(biāo)志，東（E）半球或西（W）半球；<7>：對地速度；<8>：對地方向；<9>：日期。
 

當(dāng)GPS模塊有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數(shù)據(jù)頭標(biāo)志即“$GPRMC”，若判斷到數(shù)據(jù)正確則程序進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式，直到接收到“*”表示數(shù)據(jù)接收成功，否則退出中斷程序等待下次數(shù)據(jù)的到來。以下為部分中斷程序代碼。
While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);
     {    UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;
          if (UART0_RX_BUF[0]!='$')  num=0;      
          if(num==5)
          { if (UART0_RX_BUF[2]!='P') num=0;
            if (UART0_RX_BUF[3]!='R') num=0;
            if (UART0_RX_BUF[4]!='M') num=0;
           }
          if (num==56)
       {  for (i=56;i<73;i++)
        {  if (UART0_RX_BUF[i]!='*')  num=0;
      else  k=i;  }
            }
          }
       }
3.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)
 

出租車GPS定位系統(tǒng)可以將車輛的實(shí)時(shí)信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心以便監(jiān)控調(diào)度中心掌握出租車運(yùn)行狀況。單片機(jī)接收到GPS數(shù)據(jù)并且解析有效信息后，將需要發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心的信息（經(jīng)緯度、速度等）存儲到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器內(nèi)，以便數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)調(diào)用。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送時(shí)間間隔為5S，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5S溢出進(jìn)入中斷后，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序，調(diào)用發(fā)送緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖4b：

圖4 程序流程圖
Fig.4 Program Flow Diagram
結(jié)論
 

目前車載GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到民用、軍用各個(gè)行業(yè)。在本文出租車GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級與維護(hù)。經(jīng)過實(shí)際車載試驗(yàn)，出租GPS定位系統(tǒng)性能穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)的精確程度以及發(fā)送數(shù)據(jù)的正確率都達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)要求。為出租車公司監(jiān)控調(diào)度提供了良好的運(yùn)營平臺，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。