基于GPRS和GPS技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)車(chē)載系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)

一、引言

目前，隨著人民生活水平的提高，交通工具越來(lái)越多，安全服務(wù)也越來(lái)越受到重視，尤其是車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)越來(lái)越多地受到業(yè)界的關(guān)注。本文介紹了作者設(shè)計(jì)的一種車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為車(chē)載系統(tǒng)），并重點(diǎn)介紹了車(chē)載系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)將GPRS、GPS技術(shù)相結(jié)合，利用GPRS的數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車(chē)輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)施對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控。

二、 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

由于在GPS_GPRS定位系統(tǒng)中，涉及到了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)與GPRS通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的相關(guān)應(yīng)用，從而在系統(tǒng)的組成中，GPS與GPRS無(wú)疑是整個(gè)系統(tǒng)的核心部門(mén)，下面就GPS系統(tǒng)與GPRS系統(tǒng)，以應(yīng)用為前提作如下簡(jiǎn)要介紹。

全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始研制、歷時(shí)20年、耗資200億美元、于1994年全面建成、具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

GPRS是歐洲電信協(xié)會(huì)GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。它采用信道捆綁（目前GPRS的設(shè)計(jì)可以在一個(gè)載頻或8個(gè)信道中實(shí)現(xiàn)捆綁）和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率改進(jìn)實(shí)現(xiàn)高速接入，理論上可提供高達(dá)115kbps的空中接口傳輸速率，使若干移動(dòng)用戶(hù)能夠同時(shí)共享一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)也可以使用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道。實(shí)際不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的用戶(hù)僅占很小一部分網(wǎng)絡(luò)資源，并且網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用。

為了實(shí)現(xiàn)GPRS，需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中引入3種新的邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)體：服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）和分組控制單元（PCU）。GPRS與現(xiàn)有的GSM語(yǔ)音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。這一特點(diǎn)正適合大多數(shù)移動(dòng)互聯(lián)的應(yīng)用。

基于以上對(duì)GPS系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹，可以得出GPS_GPRS定位系統(tǒng)車(chē)載終端的組成及特點(diǎn)。其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示，系統(tǒng)工作流程為：GPS_GPRS定位系統(tǒng)車(chē)載終端將其所獲取的當(dāng)前GPS地理位置信息，通過(guò)GPRS方式上傳到系統(tǒng)服務(wù)器?？蛻?hù)端可以通過(guò)專(zhuān)用GIS軟件或IE瀏覽方式，對(duì)當(dāng)前受監(jiān)控車(chē)輛所在的位置、車(chē)速及行進(jìn)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)車(chē)載終端進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車(chē)輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

三、系統(tǒng)功能及工作原理

GPS_GPRS定位系統(tǒng)車(chē)載終端原理框圖如圖2所示。

圖2 車(chē)載終端原理框圖

其中，該車(chē)載終端需要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

用戶(hù)當(dāng)前信息一次查詢(xún);

用戶(hù)連續(xù)定位信息查詢(xún)/啟動(dòng)發(fā)送實(shí)時(shí)定位信息;

停止終端定位數(shù)據(jù)上傳;

設(shè)置GPS采樣定位數(shù)據(jù)周期;

硬件點(diǎn)對(duì)點(diǎn)下載GPS定位系統(tǒng)終端定位采樣數(shù)據(jù);

備開(kāi)關(guān)（電平）輸出/輸入端子，實(shí)現(xiàn)與車(chē)用防盜報(bào)警器、緊急報(bào)警（SOS）、醫(yī)療服務(wù)、故障服務(wù)、繼電器輸出、警示嗽叭、點(diǎn)火信號(hào)等的接口;

安防功能：可以通過(guò)手機(jī)短信、直接遙控、網(wǎng)絡(luò)等三種方式進(jìn)行設(shè)/撤防操作。同時(shí)具備應(yīng)急、緊急求助功能。且當(dāng)系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞或出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)終端自動(dòng)啟動(dòng)安防功能;

監(jiān)聽(tīng)功能：用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)短信，或者網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)聽(tīng)號(hào)碼（接警號(hào)碼）進(jìn)行設(shè)置并發(fā)送監(jiān)聽(tīng)命令（監(jiān)聽(tīng)電話(huà)主動(dòng)掛機(jī)則結(jié)束監(jiān)聽(tīng)），且當(dāng)系統(tǒng)在一定程度上遭到破壞或出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)終端將自動(dòng)啟動(dòng)安防功能;

電話(huà)功能：通過(guò)電話(huà)手柄，完成撥打和接聽(tīng)電話(huà)的功能;

欠壓檢測(cè)示警及后備電源自動(dòng)啟用功能。

該系統(tǒng)車(chē)載載終端的工作原理如下：

車(chē)載終端由W77E58實(shí)現(xiàn)控制，其核心部分主要包括PPP及TCP/IP協(xié)議棧、GPRS控制、GPS控制，以及外圍接口控制。CPU內(nèi)嵌PPP及TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)分別通過(guò)串行口UART0去控制GPRS的工作，通過(guò)串行口UART1去控制GPS的工作。其中：

（1）CPU對(duì)GPRS的控制

主要是通過(guò)串行口UART0發(fā)送AT命令實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPU還可以通過(guò)控制I/O口電平輸出狀態(tài)，對(duì)GPRS進(jìn)行硬件復(fù)位，以防止意外情況下的不可恢復(fù)性死機(jī)（值得注意的是，通常情況下，GPRS模塊都有軟件復(fù)位命令，為實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊的保護(hù)，最好在軟件復(fù)位命令無(wú)效時(shí)，才選擇硬件復(fù)位）。

（2）CPU對(duì)GPS的控制

主要是通過(guò)串行口UART1發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)（GPS采樣周期的設(shè)置、GPS輸出數(shù)據(jù)選擇 、通訊波特率設(shè)置等），同時(shí)也是通過(guò)串行口UART1接收GPS定位信息，由于GPS輸出數(shù)據(jù)采用NMEA-0183（Ver2.0）格式，輸出數(shù)據(jù)為多組，在本系統(tǒng)中，僅選擇了取其中的一組數(shù)據(jù)：GPRMC（推薦最小數(shù)據(jù)量的GPS具體內(nèi)容/傳輸數(shù)據(jù)），其格式見(jiàn)圖3，其中，當(dāng)且僅當(dāng)GPS輸出數(shù)據(jù)為有效定位數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間才為當(dāng)前準(zhǔn)確時(shí)間。

圖3 GPS數(shù)據(jù)格式（GPRMC）

（3）CPU對(duì)其它外圍接口的控制

主要通過(guò)通用I/O口實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)（電平）輸入/輸出，同時(shí)通過(guò)外部中斷的方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)與車(chē)用防盜報(bào)警器、緊急報(bào)警（SOS）、醫(yī)療服務(wù)、故障服務(wù)、點(diǎn)火信號(hào)等的接口。

（4）CPU對(duì)系統(tǒng)的整體控制：

首先，CPU完成對(duì)GPRS、GPS及外圍接口的初始化工作;其次，CPU通過(guò)串行口UART1對(duì)GPRS進(jìn)行操作，完成從撥號(hào)到PPP協(xié)商（創(chuàng)建PPP鏈路、用戶(hù)驗(yàn)證、PPP回叫控制、協(xié)商和調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議），并與服務(wù)器建立起TCP連接;然后，在保證與服務(wù)器之間的TCP連接正常的前提下，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互與控制;最后，CPU還必須要周期性地對(duì)系統(tǒng)終端的當(dāng)前狀態(tài)作出測(cè)試及判斷，并對(duì)各種實(shí)際情況作出相應(yīng)的處理，以保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)GPS_GPRS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，涉及到服務(wù)器軟件、客戶(hù)端應(yīng)用軟件及車(chē)載終端底層軟件。在此，主要就車(chē)載終端底層軟件的設(shè)計(jì)作進(jìn)一步的說(shuō)明。

在GPS_GPRS定位系統(tǒng)車(chē)載終端底層軟件的設(shè)計(jì)中，程序采用了模塊化設(shè)計(jì)，軟件由一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序構(gòu)成，其中，子程序主要完成一些單一的基本工能，主程序則主要負(fù)責(zé)完成對(duì)各個(gè)功能模塊（即子程序）的調(diào)用，同時(shí)對(duì)車(chē)載終端的資源及邏輯作出規(guī)劃，主程序框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序框圖

下面就主程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作出如下闡述：

當(dāng)系統(tǒng)完成GPS及GPRS的初始化之后，即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)、PPP協(xié)商、TCP聯(lián)結(jié)等操作，當(dāng)車(chē)載終端與服務(wù)器之間建立起網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)之后，便可通過(guò)自定義的車(chē)載終端與服務(wù)器之間的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在此過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)首先判斷，當(dāng)前系統(tǒng)是否允許終端將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并進(jìn)行相應(yīng)操作;同時(shí)，會(huì)檢測(cè)是否收到控制命令（包括通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的控制命令，或通過(guò)短信方式發(fā)出來(lái)的命令，或是通過(guò)遙控器發(fā)出的控制命令），倘若收到了控制命令，則對(duì)命令的合法性作出判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，倘若網(wǎng)絡(luò)測(cè)試正常，則返回到繼續(xù)判斷控制命令及對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行處理;倘若網(wǎng)絡(luò)測(cè)試不正常，則進(jìn)行有限次嘗試，倘若有限次嘗試均以失敗告終，而主動(dòng)斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，并對(duì)GPRS作出復(fù)位及再次初始化操作，之后，再重復(fù)主程序的撥號(hào)、PPP協(xié)商、TCP聯(lián)結(jié)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互工作。

其中，與GPRS的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)串行口UART0中斷完成;與GPS的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)串行口UART1完成;另外，外部警情接收通過(guò)外部中斷0和1完成，無(wú)線(xiàn)遙控接收由外部中斷2完成。通訊超時(shí)及定時(shí)處理，由定時(shí)器TIME2完成，它們均以子程序的形式存在于車(chē)載終端控制軟件中，同時(shí)還包括一些對(duì)GPRS、GPS模塊進(jìn)行初始化及設(shè)置，以及PPP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議的解析與實(shí)現(xiàn)子程序，具體框圖及說(shuō)明略。

由以上對(duì)車(chē)載載終端控制程序的說(shuō)明可知，車(chē)載終端工作流程控制程序的工作流程如下：

1：與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接;

2：與服務(wù)器建立TCP聯(lián)結(jié);

3：對(duì)用戶(hù)進(jìn)行注冊(cè);

4：向服務(wù)器發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù);

5：默認(rèn)狀態(tài)下，按設(shè)定周期（默認(rèn)狀態(tài)為每5秒一幀），定位數(shù)據(jù)不間斷地上傳到服務(wù)器;

6：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)試，并據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀況，作出相應(yīng)處理（比如斷線(xiàn)重?fù)埽?

7：接收網(wǎng)絡(luò)或第三方控制或操作命令，并作出相應(yīng)處理（比如：GPS采樣周期設(shè)定、停止發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、開(kāi)始發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、設(shè)置監(jiān)聽(tīng)號(hào)碼、更改操作密碼等）;

8：處理突發(fā)警情（自動(dòng)撥打監(jiān)聽(tīng)中心號(hào)碼、上報(bào)求助警情信息等）。

五、結(jié)語(yǔ)

利用GPRS的數(shù)據(jù)傳輸功能，對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，與以往GPS監(jiān)控系統(tǒng)所采用的短信、GSM數(shù)據(jù)通道或DTMF數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)方法相比，運(yùn)營(yíng)成本得到了極大的降低，同時(shí)其可操作性及實(shí)時(shí)性也都有了顯著的提高，而且成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，達(dá)到了較高的可靠性。

該系統(tǒng)中，PPP、TCP/IP協(xié)議棧都由8位單片機(jī)完成，由于速度上的限制，使得系統(tǒng)中的協(xié)議棧只能椐實(shí)際應(yīng)用而作出相應(yīng)的壓縮與處理，但這已足以達(dá)到該系統(tǒng)的資源需求。同時(shí)，該系統(tǒng)為以GPRS為代表的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入方式的應(yīng)用提供了一個(gè)可循的途徑。隨著GPRS、C DMA等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入方式的不斷完善，相信以此為代表的新一代無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式具有很大的應(yīng)用前景。

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