出租車GPS定位系統(tǒng)的設計

摘要：本文根據出租車公司對車輛定位功能的要求，以單片機MSP430F147為核心，集成GPS模塊、GPRS模塊，詳細論述了出租車GPS定位系統(tǒng)的設計，其中包括硬件方案和軟件方案的設計。該系統(tǒng)可以實時采集運行出租車車輛的實時位置信息，并且可以將采集到的信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車運營公司，為出租車公司對車輛的監(jiān)控調度提供了方便。
關鍵詞：單片機；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)控調度、安全管理卻成了每個出租車公司的一大問題。如何簡單快捷的對出租車進行合理的調度管理，同時可以實時監(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度管理，同時還可以實時監(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)控調度系統(tǒng)的一個組成部分，可以向出租車監(jiān)控調度中心提供出租車的實時位置信息，保證出租車運行安全，以便對出租車進行實時跟蹤，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)可以準確無誤的采集車輛的實時信息（如經度、維度、速度、方向等）。
2）數(shù)據存儲功能
可以存儲車輛ID號、停車前5分鐘的速度信息以及連續(xù)行車時間等信息。
3）數(shù)據傳輸功能
 

可以將采集到的出租車實時信息通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控調度中心，便于監(jiān)控調度中心實時監(jiān)控出租車輛的位置以及安全狀況。
系統(tǒng)硬件設計
 

系統(tǒng)以單片機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 單片機單元
 

系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F147單片機作為核心控制器[1]，此款單片機具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機實現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個通用全雙工串行同步/異步通信接口；6個8位I/O口；外部中斷輸入接口。單片機串口0負責接收GPS模塊輸出的數(shù)據信息，分析并且提取接收到的有效信息數(shù)據，一方面對數(shù)據進行存儲，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)星導航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。它是目前世界上精度高的一種導航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經濟、地理信息測控及其他領域。GPS定位系統(tǒng)由三個部分組成：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（用戶設備部分）。
2.2.2 GPS模塊介紹
 

GPS采用GS-87模塊[2]，它是一個高效能、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公司所設計的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結構如圖2，GPS Antenna（GPS天線）接收衛(wèi)星信號，將微弱的電磁波能轉化為相應電流。電流經過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)進行處理，將處理后的信號通過串口與單片機進行連接。用戶通過對單片機的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進行處理，提取出對用戶有用的信息。

圖2 系統(tǒng)結構圖
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，提供端到端的、廣域的無線IP連接；是GSM Phase2.1規(guī)范實現(xiàn)的內容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網9.6kbit/s更高的數(shù)據率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結構、無線調制標準、調頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結構。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎上構建GPRS系統(tǒng)時只需要增加部分硬件設備和軟件升級即可。構建GPRS系統(tǒng)的方法：1）GPRS是在現(xiàn)有的GSM網絡基礎上實現(xiàn)的，在GSM網絡中引入了3個主要組件：GPRS服務支持結點（SGSN，Serving GPRS Supporting Node)、GPRS網關支持結點（GGSN，Gateway GPRS Supporting Node)以及分組控制單元（PCU，Package Control Unit）。2）對GSM的相關部件進行軟件升級。
GPRS的數(shù)據傳輸具有以下幾個特點：
（1）采用的時分組交換技術的通信方式。（2）按數(shù)據流量計費，而不是按在線時長計費。（3）傳輸速率高。（4）永遠在線。（5）GPRS網絡接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據網的無縫連接。（6）GPRS支持基于標準數(shù)據通信協(xié)議的應用，可以和IP網、X.25網互聯(lián)互通。（7）GPRS 的設計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據的傳輸。
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（如時間、經度、緯度、速度、方向等）實時發(fā)送到出租車監(jiān)控調度中心的服務器上；另一方面還可以接收來自出租車監(jiān)控調度中心的調度命令。實現(xiàn)GPS定位系統(tǒng)與監(jiān)控調度中心的雙向通信。
2.3.3 GPRS接口電路設計
 

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，峰值負載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為MC52i模塊的數(shù)據接收端口與數(shù)據輸出端口，分別連接到單片機串口（UART1）的TXD1與RXD1。MC52i的1-6引腳為外接SIM卡提供了標準的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時鐘脈沖信號；CCIO為串行數(shù)據輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復位信號；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)軟件設計
3.1 主程序功能
 

主程序負責初始化、開中斷、分析解析GPS數(shù)據、數(shù)據發(fā)送、指導系統(tǒng)進入各種相應的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖4a。
3.1 GPS數(shù)據接收程序設計
 

車載終端設備需要從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)據的含義。下面僅列出GPS最小數(shù)據輸出語句（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>：北半球或南半球標志，北半球（N）或南半球（S）；<5>：經度；<6>：東半球或西半球標志，東（E）半球或西（W）半球；<7>：對地速度；<8>：對地方向；<9>：日期。
 

當GPS模塊有數(shù)據輸出時，單片機進入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數(shù)據頭標志即“$GPRMC”，若判斷到數(shù)據正確則程序進入數(shù)據接收模式，直到接收到“*”表示數(shù)據接收成功，否則退出中斷程序等待下次數(shù)據的到來。以下為部分中斷程序代碼。
While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);
     {    UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;
          if (UART0_RX_BUF[0]!='$')  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)據發(fā)送程序設計
 

出租車GPS定位系統(tǒng)可以將車輛的實時信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調度中心以便監(jiān)控調度中心掌握出租車運行狀況。單片機接收到GPS數(shù)據并且解析有效信息后，將需要發(fā)送到監(jiān)控調度中心的信息（經緯度、速度等）存儲到數(shù)據發(fā)送緩沖器內，以便數(shù)據發(fā)送時調用。本設計采用定時器中斷方式進行數(shù)據發(fā)送，發(fā)送時間間隔為5S，當定時器定時5S溢出進入中斷后，執(zhí)行數(shù)據發(fā)送程序，調用發(fā)送緩沖器內數(shù)據，通過GPRS模塊將數(shù)據發(fā)送到出租車監(jiān)控調度中心。數(shù)據發(fā)送程序流程圖如圖4b：

圖4 程序流程圖
Fig.4 Program Flow Diagram
結論
 

目前車載GPS定位系統(tǒng)已經應用到民用、軍用各個行業(yè)。在本文出租車GPS定位系統(tǒng)設計中其硬件以及軟件均采用模塊化設計，易于升級與維護。經過實際車載試驗，出租GPS定位系統(tǒng)性能穩(wěn)定，采集數(shù)據的精確程度以及發(fā)送數(shù)據的正確率都達到了預先設計要求。為出租車公司監(jiān)控調度提供了良好的運營平臺，該系統(tǒng)具有良好的推廣價值和應用前景。