基于GPS定位的嵌入式汽車監(jiān)控器設(shè)計(jì)

    隨著人們生活水平的提高，汽車逐漸進(jìn)入了普通家庭，中國各大城市的汽車保有量逐年增加。同時(shí),汽車被盜、被搶也成為一個(gè)較為嚴(yán)重的社會(huì)問題。雖然各類汽車防盜/報(bào)警器在汽車上的應(yīng)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(bào)警器容易迅速被破壞。汽車報(bào)警的方式多為燈光閃爍和喇叭鳴響，車主不一定能得到報(bào)警，周邊的居民卻被嚴(yán)重干擾。此外，盜賊破壞報(bào)警器，盜走汽車后，外觀稍加改動(dòng)，汽車就如石沉大海，無法追蹤了。為了解決這些問題，本設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)聲光報(bào)警和汽車電路切斷等功能。它相當(dāng)于一個(gè)具有報(bào)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(shí)發(fā)送給警方。這種監(jiān)控器是一般汽車防盜器的補(bǔ)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(gè)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(shí)利用汽車電瓶供電，在汽車電源被切斷后，可自動(dòng)改用電池獨(dú)立供電，GPS接收天線位于汽車外部，有利于更好的接收信號(hào)。整個(gè)監(jiān)控器工作的基本方式為，在汽車正常行駛的時(shí)候，監(jiān)控器處于節(jié)電的休眠狀態(tài)。當(dāng)汽車停止，車主離開時(shí)，車主可利用手機(jī)發(fā)送短信給監(jiān)控器，命令其處于監(jiān)控狀態(tài)。這時(shí)監(jiān)控器的GPS接收功能開啟，定時(shí)接收GPS定位衛(wèi)星發(fā)送的位置、速度和高度等信息，同時(shí)將靜止位置標(biāo)志為安全位置。當(dāng)竊賊破壞汽車的通用防盜系統(tǒng)，駕駛汽車離開時(shí)，GPS接收到的位置坐標(biāo)發(fā)生變化，當(dāng)速度、位置偏差大于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)。監(jiān)控器將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息到車主的手機(jī)，提示汽車被移動(dòng)，可能被盜。當(dāng)車主報(bào)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(shí)短信發(fā)送功能，將當(dāng)前的汽車坐標(biāo)定時(shí)地發(fā)送到車主或報(bào)警中心，配合電子地圖可以非常方便的查找到當(dāng)前的汽車位置，可迅速破案。系統(tǒng)附帶的SD卡可在報(bào)警后長時(shí)間的存儲(chǔ)汽車變化的坐標(biāo)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(shè)計(jì)

    為了實(shí)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(chǔ)功能，并有一定的多任務(wù)處理能力，成本低，體積小。監(jiān)控器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)大、價(jià)格低廉，非常符合本設(shè)計(jì)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(jī)控制管理，具有遙測遙控的核心單元、1個(gè)可配置的標(biāo)準(zhǔn)串口（RS-232C）、標(biāo)準(zhǔn)天線和SIM卡接口。將購買的手機(jī)SIM卡插入短信模塊，并完成系統(tǒng)（包括服務(wù)電話號(hào)碼）設(shè)置后，將短信模塊的串口和監(jiān)控器的串口1（外加電平轉(zhuǎn)換芯片，使之符合RS-232C電平標(biāo)準(zhǔn)）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(shí)可收到12顆GPS衛(wèi)星信號(hào)）進(jìn)行比較解算，可選用速度、位置、海拔等相關(guān)數(shù)據(jù)，價(jià)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?yàn)閭鬏數(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(shè)計(jì)圖，F(xiàn)S7821LQ具有完整的SD卡驅(qū)動(dòng)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(gè)串口，加MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片后，分別連接GPS和GSM模塊。FS7821LQ芯片包括了一個(gè)從USB接口的功能和硬件驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)中預(yù)留為USB 2.0的接口，作為產(chǎn)品升級(jí)使用。此外，系統(tǒng)還預(yù)留了FS7821LQ的10個(gè)通用I/O口作為后續(xù)報(bào)警功能的控制端口。

圖3  系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

    礐/OS-II作為一個(gè)最基本的任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，只具備任務(wù)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(gè)任務(wù)：主任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高（10）；短信收發(fā)任務(wù)優(yōu)先級(jí)次高（12），主要包括接收短信功能（包括設(shè)置、開關(guān)監(jiān)控器）、發(fā)送短信功能（報(bào)警時(shí)5s發(fā)送一次GPS坐標(biāo)），這個(gè)任務(wù)的時(shí)間隨機(jī)性較大，實(shí)時(shí)要求較高；GPS接收任務(wù)每5s接收一次GPS數(shù)據(jù)，并解析其坐標(biāo)，判斷是否報(bào)警；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)在報(bào)警后每60s存儲(chǔ)一次GPS坐標(biāo)（128Mb卡約可保存1個(gè)月的數(shù)據(jù)）。

    因?yàn)楸O(jiān)控器中使用了USB設(shè)備和SD卡，在具備硬件接口的同時(shí)必須在軟件中提USB和SD的驅(qū)動(dòng)程序。FS7821LQ芯片的開發(fā)套件中提供了USB驅(qū)動(dòng)程序和SD/MMC卡的驅(qū)動(dòng)程序，包括支持標(biāo)準(zhǔn)MMC卡命令；嵌入5B命令存儲(chǔ)器；嵌入17B響應(yīng)存儲(chǔ)器 ；支持1/4/8位數(shù)據(jù)寬度；對卡支持20MHz的時(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)程序后，監(jiān)控器的應(yīng)用層次的軟件安裝系統(tǒng)的功能分為優(yōu)先級(jí)不同的多個(gè)任務(wù)。其中主任務(wù)用于生成其他任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)最高（10）；GPS接收任務(wù)負(fù)責(zé)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(jí)次高（12）；短信收發(fā)接收任務(wù)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(jí)再次之（14）；最后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能完成GPS在SD卡中的存儲(chǔ)和系統(tǒng)設(shè)置的功能其優(yōu)先級(jí)為16。程序中同時(shí)建立了消息隊(duì)列用于完成各任務(wù)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(gè)嵌入式汽車監(jiān)控器的設(shè)計(jì)采用了大量成熟的技術(shù)和模塊。它的應(yīng)用主要是在汽車被盜時(shí)發(fā)出警告和被盜后提供準(zhǔn)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(shí)用的防盜功能，為被盜車的查找提供快速準(zhǔn)確的信息。隨著技術(shù)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(jìn)一步的降低成本，減小體積。同時(shí)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)。