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，隨著我國城市建設(shè)規(guī)模的擴大,車輛日益增多,交通運輸?shù)慕?jīng)營管理和合理調(diào)度已成為一個廣泛關(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)用于移動目標的監(jiān)控有著其他監(jiān)控手段無法比擬的優(yōu)勢,所以采用GPS技術(shù)對各種車輛實施監(jiān)控、調(diào)度管理是一個新的研究熱點。

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)對移動目標進行實時定位,利用GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)傳輸,以電子地圖和空間信息系統(tǒng)為支撐平臺,實現(xiàn)定位跟蹤、監(jiān)控報警、反劫防盜、指揮調(diào)度和信息查詢管理。整個系統(tǒng)是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地面移動通信系統(tǒng)兩大部分組成,而地面移動通信系統(tǒng)是由指揮監(jiān)控中心、車載移動單元和GSM通信網(wǎng)絡(luò)三個部分組成。車載移動單元設(shè)備可以為指揮監(jiān)控中心實時提供每一個移動目標的最新定位數(shù)據(jù)、運行狀況和報警信息等,并自動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,實時地顯示出當前監(jiān)控、指揮的車輛的地理位置。GSM通信網(wǎng)絡(luò)則進行數(shù)據(jù)、語音、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、主控計算機。監(jiān)控中心接收車載移動單元傳送來的車輛GPS定位數(shù)據(jù)信息，并對車輛的報警和調(diào)度信息進行處理，通過GIS地圖匹配就能在電子地圖上實時顯示車輛當前精確位置，從而方便的實現(xiàn)對車輛的調(diào)度、監(jiān)控、指揮等功能；同時也可通過GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)向指定的車載臺發(fā)送各種控制指令，實現(xiàn)對車輛的遠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

車載移動單元主要組成部分的設(shè)計

    車載移動單元是由主控制器CPU、GPS接收機、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 車載移動單元硬件結(jié)構(gòu)原理圖

    車載移動單元通過GPS接收天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的定位信號，經(jīng)過CPU主控器處理，計算出車輛的日期、時間、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模塊進行短信息的收發(fā)，手柄控制單元實現(xiàn)遙控監(jiān)聽、請求服務(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)計較簡單，在本設(shè)計中MCU選擇華邦公司的W77E58，是因為它帶有兩個串行口能同時與GSM模塊、GPS模塊進行通信，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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，短信息業(yè)務(wù)在移動臺和移動業(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)點在于建立連接簡單，接續(xù)快，服務(wù)費用低，這適合定時把定位信息發(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)計框圖

    在實際應(yīng)用中，我們選用WM02-G900/1800。它的外圍電路設(shè)計框圖如圖4所示，其相關(guān)的性能指標如表1所示。它與單片機之間采用標準的串行口進行通信，通信的最高波特率可以達到    115 200b/s。GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIMDATA信號線進行數(shù)據(jù)通信。為了保證發(fā)送短消息與短消息到達之間的時間間隔盡量短，選用的SIM卡最好是同一個電信運營商提供的。在使用GPRS功能時，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)動兩路麥克風(fēng)、兩路揚聲器和一路蜂鳴器。其中一路麥克風(fēng)和揚聲器可以連到手柄的聽筒上，以實現(xiàn)車載電話功能；另一路可以實現(xiàn)監(jiān)聽和免提功能，但這兩路不能同時工作，如果在通話中需用免提方式，可以通過AT指令：AT+SPEAKER=0或1進行切換。

    WM02-G900/1800的I/O接口的邏輯電平是3V，當它與微控制器串口通信時，要進行電平轉(zhuǎn)換，筆者在應(yīng)用中選用MAX3237/3238進行轉(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模塊進行短信息的收發(fā)及語音通信是設(shè)計的關(guān)鍵，如果對相關(guān)的AT指令不熟悉就不能進行正確地設(shè)置，那么就會影響本系統(tǒng)的正常工作，帶來難以預(yù)料的后果。

GPS接收機及其數(shù)據(jù)格式

    GPS OEM板用于接收GPS衛(wèi)星的信號，并計算出車載終端目前所在位置。它由變頻器、信號通道、微處理器和存儲單元組成。GPS模塊通過串行口向主控制器發(fā)送定位坐標；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。一般在比較開闊的地區(qū)，需接收到三顆以上的GPS衛(wèi)星信號才能進行準確定位。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。其性能指標如表2所示。

    TFAG10 GPS RECEIVER接收機語句的輸入、輸出是通過RS-232串行接口完成，符合美國國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA-0183通信標準格式。其通信端口的數(shù)據(jù)格式應(yīng)該設(shè)置為8個數(shù)據(jù)位、1個起始位和1個停止位；無奇偶校驗；波特率為4800b/s。NMEA-0183通信標準的輸出數(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、時間、航向以及衛(wèi)星狀態(tài)等信息。語句有五種，對于不同的應(yīng)用，選用的語句記錄也不同，在本設(shè)計中只關(guān)心日期和時間、經(jīng)緯度、地面速度，因此只選用RMC記錄語句。一條$GPRMC語句包含13個記錄：語句標識頭、世界時間、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、校驗和結(jié)束標記，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個逗號)，例如:
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10

電源設(shè)計

   車載設(shè)備的電源設(shè)計中我們重點考慮如下問題：

● 充分考慮汽車電源的波動和脈沖干擾，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，以免汽車停車時間較長時損壞汽車電瓶。對50AH的汽車電瓶而言，如果車載終端的待機電流為140mA，則泊車時能堅持357小時約15天；
● 應(yīng)采取過流、過壓保護措施。

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

    經(jīng)實際使用證明，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對器件的干擾，同時可降低經(jīng)電源竄入的脈沖干擾，這對保障系統(tǒng)的安全和可靠運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，此時各防盜輸入、車門開閉檢測馬上起作用，直到用戶使用遙控器撤防。車輛的設(shè)/撤防憑借聯(lián)動汽車尾燈與警笛進行確認。如設(shè)防時車門未關(guān)好，能通過聲光提示。
通常，車載設(shè)備的GSM模塊處于待機狀態(tài)。當接收到中心的指令時，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)備可立刻自動通過移動電話以短信息方式向中心報告位置及報警類型。而與車載設(shè)備相連接的防盜報警感應(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，才立刻自動通過GSM模塊以短信息方式向中心報告位置及報警類型。

    車載設(shè)備可通過接收中心的熄火/點火及開、關(guān)車門指令，并通過聯(lián)動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。可用來設(shè)置車載設(shè)備所對應(yīng)的短信息服務(wù)中心號碼，報警監(jiān)控中心與監(jiān)控服務(wù)中心的短信息被叫號碼，監(jiān)聽電話號碼、設(shè)備ID號、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、報警監(jiān)控中心與監(jiān)控服務(wù)中心的短信息被叫號、數(shù)據(jù)傳輸時間間隔、超速限制值、行駛區(qū)域限制值等。