基于GPS定位的嵌入式系統(tǒng)在汽車監(jiān)控器設計中的應用

隨著人們生活水平的提高，汽車逐漸進入了普通家庭，中國各大城市的汽車保有量逐年增加。同時,汽車被盜、被搶也成為一個較為嚴重的社會問題。雖然各類汽車防盜/報警器在汽車上的應用在一定程度上解決了汽車的安全問題，但隨著盜賊手段的提高，大多的報警器容易迅速被破壞。汽車報警的方式多為燈光閃爍和喇叭鳴響，車主不一定能得到報警，周邊的居民卻被嚴重干擾。此外，盜賊破壞報警器，盜走汽車后，外觀稍加改動，汽車就如石沉大海，無法追蹤了。為了解決這些問題，本設計利用GPS監(jiān)控的方式跟蹤汽車位置，在被盜情況下可利用GSM短信模塊隨時向車主或公安部門發(fā)送汽車的GPS定位，加快破案速度。

圖1 系統(tǒng)功能圖

　　系統(tǒng)功能
　　本監(jiān)控器不同于普通的汽車防盜器，并不提供被盜時聲光報警和汽車電路切斷等功能。它相當于一個具有報警功能的跟蹤器，利用GPS定位來判斷汽車是否被盜。在確定汽車被盜后，可利用GSM短信將汽車的位置信息隨時發(fā)送給警方。這種監(jiān)控器是一般汽車防盜器的補充，它不易被發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)無法拆除，而且定位精度較高（10m左右）。

　　整個監(jiān)控器的系統(tǒng)功能如圖1所示。監(jiān)控器安裝在汽車的隱蔽處，平時利用汽車電瓶供電，在汽車電源被切斷后，可自動改用電池獨立供電，GPS接收天線位于汽車外部，有利于更好的接收信號。整個監(jiān)控器工作的基本方式為，在汽車正常行駛的時候，監(jiān)控器處于節(jié)電的休眠狀態(tài)。當汽車停止，車主離開時，車主可利用手機發(fā)送短信給監(jiān)控器，命令其處于監(jiān)控狀態(tài)。這時監(jiān)控器的GPS接收功能開啟，定時接收GPS定位衛(wèi)星發(fā)送的位置、速度和高度等信息，同時將靜止位置標志為安全位置。當竊賊破壞汽車的通用防盜系統(tǒng)，駕駛汽車離開時，GPS接收到的位置坐標發(fā)生變化，當速度、位置偏差大于設定的報警值時。監(jiān)控器將自動發(fā)送報警信息到車主的手機，提示汽車被移動，可能被盜。當車主報警后，為配合警方查找被盜的汽車，車主可再次發(fā)送命令給監(jiān)控器，打開定時短信發(fā)送功能，將當前的汽車坐標定時地發(fā)送到車主或報警中心，配合電子地圖可以非常方便的查找到當前的汽車位置，可迅速破案。系統(tǒng)附帶的SD卡可在報警后長時間的存儲汽車變化的坐標等信息，作為破案的證據(jù)和查找竊賊同伙的線索。

　　系統(tǒng)硬件設計
　　為了實現(xiàn)監(jiān)控功能，要求監(jiān)控器具有GPS接收、GSM短信發(fā)送和大量數(shù)據(jù)存儲功能，并有一定的多任務處理能力，成本低，體積小。監(jiān)控器的硬件結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)控器硬件結構圖

　　一款合適的主芯片將在系統(tǒng)中起到重要的作用，本監(jiān)控器中選用了FS7821LQ嵌入式芯片。FS7821LQ集成了RISC結構的8051內(nèi)核、USB 2.0控制器、收發(fā)器、NAND閃寸、SD以及CF接口控制器。利用這款芯片組成的嵌入式系統(tǒng)外接電路簡單、功能強大、價格低廉，非常符合本設計的要求。

　　監(jiān)控器的短信功能主要完成車主短信命令的接收和汽車GPS位置數(shù)據(jù)的發(fā)送，系統(tǒng)選用成熟的GSM-RTU短信模塊完成。該模塊內(nèi)嵌GSM模塊、16位低功耗MSP430單片機控制管理，具有遙測遙控的核心單元、1個可配置的標準串口（RS-232C）、標準天線和SIM卡接口。將購買的手機SIM卡插入短信模塊，并完成系統(tǒng)（包括服務電話號碼）設置后，將短信模塊的串口和監(jiān)控器的串口1（外加電平轉換芯片，使之符合RS-232C電平標準）連接，就完成了短信模塊的硬件安裝。

　　GPS模塊主要完成汽車GPS數(shù)據(jù)的接收，系統(tǒng)選用MG-30U/R-GPS模塊，采用SiRF第二代高效能芯片（具有12條通道，最多時可收到12顆GPS衛(wèi)星信號）進行比較解算，可選用速度、位置、海拔等相關數(shù)據(jù)，價格低廉，精度較高。該模塊輸出可選用RS-232C接口，利用系統(tǒng)主控芯片F(xiàn)S7821LQ的串口2和GPS模塊連接。因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，利用串口傳輸數(shù)據(jù)可避免使用USB接口必須在系統(tǒng)上建立主USB口的麻煩。

　　圖3為系統(tǒng)硬件的電路設計圖，F(xiàn)S7821LQ具有完整的SD卡驅(qū)動及接口，系統(tǒng)直接利用128Mb的SD卡可與其連接。利用FS7821LQ芯片的通用I/O口PORT2_0～PORT2_3形成兩個串口，加MAX232電平轉換芯片后，分別連接GPS和GSM模塊。FS7821LQ芯片包括了一個從USB接口的功能和硬件驅(qū)動，系統(tǒng)中預留為USB 2.0的接口，作為產(chǎn)品升級使用。此外，系統(tǒng)還預留了FS7821LQ的10個通用I/O口作為后續(xù)報警功能的控制端口。

圖3 系統(tǒng)硬件電路設計圖

　　系統(tǒng)軟件設計
　　由于本監(jiān)控器包括了多種較復雜的功能，同時具有如短信收發(fā)等突發(fā)的功能和GPS接收等定時任務，為了更好的完成任務的執(zhí)行，在組成的嵌入式系統(tǒng)中，移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)。μC/OS-II作為一個免費的源碼開放的實時嵌入式操作系統(tǒng)，提供了多任務的切換能力和中斷、UART的驅(qū)動等功能，完全可以滿足本操作平臺的要求。

　　μC/OS-II作為一個最基本的任務調(diào)度內(nèi)核，只具備任務切換的能力，本監(jiān)控器根據(jù)其功能可分為如表1所示的4個任務：主任務優(yōu)先級最高（10）;短信收發(fā)任務優(yōu)先級次高（12），主要包括接收短信功能（包括設置、開關監(jiān)控器）、發(fā)送短信功能（報警時5s發(fā)送一次GPS坐標），這個任務的時間隨機性較大，實時要求較高;GPS接收任務每5s接收一次GPS數(shù)據(jù)，并解析其坐標，判斷是否報警;數(shù)據(jù)存儲任務在報警后每60s存儲一次GPS坐標（128Mb卡約可保存1個月的數(shù)據(jù)）。

因為監(jiān)控器中使用了USB設備和SD卡，在具備硬件接口的同時必須在軟件中提USB和SD的驅(qū)動程序。FS7821LQ芯片的開發(fā)套件中提供了USB驅(qū)動程序和SD/MMC卡的驅(qū)動程序，包括支持標準MMC卡命令;嵌入5B命令存儲器;嵌入17B響應存儲器 ;支持1/4/8位數(shù)據(jù)寬度;對卡支持20MHz的時鐘頻率。為了將GPS數(shù)據(jù)以文件的形式保存到SD卡，必須有一個和PC兼容的文件系統(tǒng)，本監(jiān)控器將簡化的FAT16文件系統(tǒng)移植成功，實現(xiàn)了文件的自由存取。
　
      在移植了礐/OS-II并嵌入了USB和SD/MMC卡的驅(qū)動程序后，監(jiān)控器的應用層次的軟件安裝系統(tǒng)的功能分為優(yōu)先級不同的多個任務。其中主任務用于生成其他任務，其優(yōu)先級最高（10）;GPS接收任務負責控制MG-30U/R-GPS模塊，并從中獲取所需要的GPS數(shù)據(jù)，其優(yōu)先級次高（12）;短信收發(fā)接收任務完成接收車主短信和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的功能，其優(yōu)先級再次之（14）;最后，數(shù)據(jù)存儲功能完成GPS在SD卡中的存儲和系統(tǒng)設置的功能其優(yōu)先級為16。程序中同時建立了消息隊列用于完成各任務間的通信和數(shù)據(jù)交換，軟件狀態(tài)流圖如圖4所示。

圖4 軟件狀態(tài)流圖發(fā)展與前瞻

　　這個嵌入式汽車監(jiān)控器的設計采用了大量成熟的技術和模塊。它的應用主要是在汽車被盜時發(fā)出警告和被盜后提供準確的汽車位置信息，不能取代傳統(tǒng)的汽車防盜器，但能提供非常實用的防盜功能，為被盜車的查找提供快速準確的信息。隨著技術的發(fā)展，GPS/GSM中的控制器和主控制器的整合必將成為發(fā)展的方向，這樣必然能夠進一步的降低成本，減小體積。同時該監(jiān)控器也可以和通用的汽車防盜器相整合，發(fā)展為更加完善的系統(tǒng)。