“兩客一危”GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端設(shè)計(jì)

摘要：道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車栽終端，是實(shí)現(xiàn)全國(guó)重點(diǎn)營(yíng)運(yùn)車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)統(tǒng)一的重要組成部分。車載終端的設(shè)計(jì)充分利用JT／T794-2011交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用內(nèi)置的GPS衛(wèi)星定位模塊獲得定位信息，以及利用車輛狀態(tài)信息采集模塊獲得車輛運(yùn)行情況信息，通過(guò)GPRS傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)具有對(duì)車輛監(jiān)聽、通話的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端功能良好，具有很好的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：GPS；衛(wèi)星定位；車載終端；GPRS

    為了加強(qiáng)道路運(yùn)輸安全管理和運(yùn)輸車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作，預(yù)防和減少道路交通運(yùn)輸事故的發(fā)生，確保所有旅游包車、三類以上班線客車和運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品、煙花爆竹、民用爆炸物品的道路專用車輛(即“兩客一危”車輛)能被企業(yè)、政府平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括監(jiān)控運(yùn)輸車輛駕駛?cè)氤傩旭偂⑵隈{駛等違法行為，實(shí)現(xiàn)道路運(yùn)輸科學(xué)發(fā)展、安全發(fā)展的有效手段，道路運(yùn)輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐步受到人們的重視，我國(guó)交通管理部門對(duì)這種車載終端的技術(shù)要求制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)將為車載終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
    道路運(yùn)輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)包括車載終端、企業(yè)平臺(tái)、各級(jí)政府平臺(tái)和部級(jí)平臺(tái)構(gòu)成，這些構(gòu)成部分通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。其中的每個(gè)部分都需要車載終端的參與，車載終端是安裝在道路運(yùn)輸車輛上滿足工作環(huán)境要求，具有衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入、道路運(yùn)輸車輛行駛記錄、道路運(yùn)輸車輛相關(guān)信號(hào)采集和控制，與其他車載電子設(shè)備進(jìn)行通信，提供政府平臺(tái)或企業(yè)平臺(tái)所需的信息，完成衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)車輛功能的裝置。因此，車載終端是道路運(yùn)輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)中非常重要的組成部分。本文所介紹的“道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端”就是系統(tǒng)中車載終端的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。下面詳細(xì)介紹車載終端系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

1 道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端的功能
    根據(jù)道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求，車載終端應(yīng)具有如下要求：1)車輛衛(wèi)星定位；2)無(wú)線通信；3)車輛信息采集；4)報(bào)警，包括主動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)報(bào)警；5)在必要時(shí)進(jìn)行車內(nèi)監(jiān)聽，及與上級(jí)平臺(tái)進(jìn)行通話。另外，車載終端還根據(jù)駕駛員需要實(shí)現(xiàn)了其他功能：1)電招服務(wù)；2)多中心接入；3)限制車輛行駛范圍和行駛時(shí)間，監(jiān)控車輛的行駛軌跡等。車載終端的這些功能使其特點(diǎn)適用于企業(yè)、政府的管理、調(diào)度等領(lǐng)域。

2 基于GPS-GPRS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    GPS車載移動(dòng)終端采用在世界上領(lǐng)先的GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可為用戶提供多方位的、全時(shí)域空間定位信息，目前廣泛應(yīng)用于車輛防盜防偷、車載電話、車輛保險(xiǎn)跟蹤，遠(yuǎn)程遙控遙測(cè)、危險(xiǎn)品車輛以及運(yùn)營(yíng)車輛監(jiān)控監(jiān)管、車輛故障管理等。
    如何把定位數(shù)據(jù)信息發(fā)送給企業(yè)平臺(tái)、政府平臺(tái)一直是比較難解決的問(wèn)題之一。以往的交通監(jiān)控系統(tǒng)多采用集群通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車載終端與各級(jí)平臺(tái)的通訊，但是這種系統(tǒng)具有覆蓋局域小、安裝維護(hù)費(fèi)用高、技術(shù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。近兩年隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)在中國(guó)的普及，車載終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)平臺(tái)、政府平臺(tái)通訊的方式已經(jīng)成為最受歡迎的方式。GPRS通用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它的意義就是在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換能力，同時(shí)將速率提高到100kbps以上。使用GPRS模塊可以方便地利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，主要有以下原因：1)GPRS利用分組技術(shù)，傳輸高速數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)和信令，使網(wǎng)絡(luò)資源和無(wú)線頻譜資源得到更好的利用；2)定義了新的GPRS無(wú)線信道，并更加靈活地分配這些信道；3)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)互連互通；4)網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無(wú)縫連接；5)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)傳輸。其具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    首先車載終端通過(guò)北斗衛(wèi)星定位獲得自己在全國(guó)的坐標(biāo)信息；然后以GPRS數(shù)據(jù)通訊方式把定位數(shù)據(jù)信息按指定的時(shí)間間隔發(fā)送到各級(jí)平臺(tái)，同時(shí)車輛運(yùn)載的狀態(tài)信息、行駛記錄信息、以及報(bào)警信息也通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給各級(jí)平臺(tái)；各級(jí)平臺(tái)的控制、監(jiān)控、實(shí)時(shí)導(dǎo)航等也是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車載終端中，車載終端與各級(jí)平臺(tái)的通訊符合專用的命令協(xié)議和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，本命令協(xié)議采用TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)交換協(xié)議采用JT／T 809-2011標(biāo)準(zhǔn)；最后，省部級(jí)平臺(tái)還可以通過(guò)VPN專用網(wǎng)技術(shù)或其他安全聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到下級(jí)平臺(tái)，以控制、查看車載終端的狀態(tài)信息。

3 車載終端硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    硬件基本設(shè)計(jì)思想是，整個(gè)硬件系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)功能和硬件結(jié)構(gòu)可以劃分成2個(gè)硬件模塊：主控板模塊和存儲(chǔ)模塊。主控板模塊主要有微處理器、GPRS模塊、GPS模塊、電源模塊等部分組成，完成系統(tǒng)的主控功能，如視音頻采集、處理和顯示、網(wǎng)絡(luò)控制、報(bào)警控制、衛(wèi)星定位、行駛記錄以及USB控制等功能；存儲(chǔ)板模塊主要實(shí)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)介質(zhì)安裝和存儲(chǔ)介質(zhì)的替換。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．1 微處理器
    主控微處理器采用的華邦公司的W78E516單片機(jī)；利用16C554AIPN芯片，將單片機(jī)的低8位數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展為4個(gè)串口；其中GPRS模塊與A口相連，B口和C口分別通過(guò)RS-232電平轉(zhuǎn)化芯片后，再通過(guò)5566插座控制外部的其他設(shè)備，如車載LED顯示屏、攝像頭等；而GPS模塊直接與單
片機(jī)的一個(gè)串口相連，而單片機(jī)的另一個(gè)串口則通過(guò)RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片后，與存儲(chǔ)模塊相連。在硬件系統(tǒng)中，主控微處理器負(fù)責(zé)接收用戶的按鈕輸入信號(hào)和衛(wèi)星定位輸入信號(hào)；對(duì)衛(wèi)星定位信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，以獲得當(dāng)前的經(jīng)、緯度坐標(biāo)；接收并解析各級(jí)平臺(tái)發(fā)送的短消息命令，按命令進(jìn)行上傳定位坐標(biāo)、報(bào)警等操作；另外還負(fù)責(zé)把車輛的運(yùn)行狀態(tài)及平臺(tái)發(fā)布的命令信息通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。
3．2 GPRS模塊
    本車載終端選用的GPRS模塊是SIM300，SIM300是SIMCOM推出的GSM／GPRS三頻模塊，主要為語(yǔ)音傳輸、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線接口。集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM／GPRS的無(wú)線應(yīng)用產(chǎn)品。外部系統(tǒng)連接器主要提供外部電源、RS-232串口、SIM接口和音頻接口。支持GSM07．07和GSM07．05增強(qiáng)型AT命令集。它內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議棧，并簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)。屏蔽了GSM模塊的復(fù)雜接口方式和接口協(xié)議棧，取而代之的是通用的232接口和簡(jiǎn)單的AT命令交互界面。它同主控制器以RS-232串行口的方式連接，并采用一定的波特率進(jìn)行通信。主控制器可以通過(guò)AT命令控制GPRS模塊使其發(fā)送短消息，使用GPRS傳送數(shù)據(jù)或進(jìn)行語(yǔ)音通話。
3．3 GINS模塊
    GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，并計(jì)算出車載終端所在的位置。它由變頻器、信號(hào)通道、微處理器和存儲(chǔ)單元等組成。GPS模塊通過(guò)串行口向主控制器發(fā)送定位坐標(biāo)；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模塊需要專門的GPS天線接受GPS衛(wèi)星信號(hào)才能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在車載GPS智能系統(tǒng)中把天線放置在車頂可以有比較好的定位效果?，F(xiàn)選擇REB3310。該模塊具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、扛遮擋能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用范圍包括汽車定位導(dǎo)航、地圖制作等。
3. 4 電源模塊
    電源模塊用于給系統(tǒng)中的其他模塊供電。終端系統(tǒng)需要電源模塊提供3路電壓，分別為：3．6 V、5 V、3．3 V。其中，GPRS模塊在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)需要的電流比較大(約為2 A)，選用了NationM公司的LM2576電源芯片。它是一種PWM方式調(diào)制的高功率穩(wěn)壓芯片，可以提供高達(dá)3．5 A的尖鋒電流。
    電源模塊中還設(shè)計(jì)了后備電池系統(tǒng)，在車載電源不工作或被破壞時(shí)給車載GPS終端供電。在車載電源工作正常的情況下，后備電池會(huì)自動(dòng)被充電。

4 車載終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    基本設(shè)計(jì)思想是，采用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言C++開發(fā)，基于模塊化模型，主要功能有系統(tǒng)初始化、建立GPRS連接、定位數(shù)據(jù)接收、車輛采集信息處理、接收各級(jí)平臺(tái)下發(fā)的信息和向各級(jí)平臺(tái)匯報(bào)信息等。車載終端軟件系統(tǒng)的主要功能是由主程序完成的。主程序采用狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，(a)為總體流程框圖，(b)為GPRS報(bào)文處理部分流程圖，(c)為位置報(bào)文處理部分流程圖。終端可以處于8種狀態(tài)：空閑、上傳定位信息、定時(shí)上傳定位信息、撥號(hào)、通話中、網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連通、衛(wèi)星無(wú)法定位、報(bào)警。狀態(tài)間的切換主要由各級(jí)平臺(tái)通過(guò)發(fā)送消息的命令報(bào)文控制。

    首先介紹程序響應(yīng)的中斷系統(tǒng)，由于微處理器與各個(gè)模塊之間的通訊是不定期、不定長(zhǎng)的通訊，為了保證不出現(xiàn)阻塞情況，系統(tǒng)采用中斷接收方式：把接收到的所有數(shù)據(jù)在中斷過(guò)程中放入對(duì)應(yīng)的循環(huán)緩沖區(qū)之中，然后由主程序解析接收到的串口數(shù)據(jù)；同時(shí)微處理器還要響應(yīng)另外兩個(gè)中斷：一個(gè)是報(bào)警按鈕被按下時(shí)觸發(fā)的中斷；另一個(gè)是定時(shí)中斷，它每20ms觸發(fā)一次，用于檢測(cè)GPRS模塊的超時(shí)應(yīng)答。程序工作時(shí)先進(jìn)行初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控制循環(huán)中首先檢查GPRS數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是否有完整的GPRS數(shù)據(jù)包，如果有則進(jìn)行解析，并根據(jù)協(xié)議中的控制命令改變終端所處的狀態(tài)。接著判斷位置信息數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是否有完整的位置數(shù)據(jù)包，如果有則取出并解析出當(dāng)前的全球定位坐標(biāo)，以供上傳坐標(biāo)時(shí)使用。最后根據(jù)終端所處的狀態(tài)對(duì)終端進(jìn)行操作，例如：終端處于上傳定位消息的狀態(tài)，則控制GPRS模塊上傳定位的消息；終端處于自動(dòng)報(bào)警的狀態(tài)，則控制GPRS模塊上傳報(bào)警的消息。

5 結(jié)束語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)證明，“兩客一危”GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端可以較好地完成終端定位、與各級(jí)平臺(tái)的通訊、車輛狀態(tài)信息上傳、報(bào)警等功能，并且具有成本較低、系統(tǒng)覆蓋面廣、使用維護(hù)費(fèi)用低、通訊可靠、永遠(yuǎn)在線等特點(diǎn)。而且是設(shè)計(jì)成一個(gè)可以提供實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確，交互的信息系統(tǒng)，基本上實(shí)現(xiàn)了無(wú)盲區(qū)的定位，保障性的定位的效果。