采用GPSOne技術(shù)實(shí)現(xiàn)貴重物品跟蹤定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

消費(fèi)者委員會對當(dāng)前貨運(yùn)業(yè)存在的問題進(jìn)行了調(diào)查分析，消費(fèi)者委托運(yùn)輸?shù)馁F重物品在運(yùn)輸過程中丟失情況嚴(yán)重，致使消費(fèi)者的受損金額越來越大。物流公司常常承擔(dān)運(yùn)輸貴重物品的任務(wù)，而這些貴重物品的丟失將會導(dǎo)致他們巨額的損失。GPS英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System”，其意為“衛(wèi)星測時測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”，簡稱GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，開始時只用于軍事目的，后轉(zhuǎn)為民用被廣泛應(yīng)用于商業(yè)和科學(xué)研究上。GPS空間部分使用了二十四顆衛(wèi)星組成的星座，衛(wèi)星高度約20200公里，分布在六條升交點(diǎn)互隔60度的軌道面上，每條軌道上均勻分布四顆衛(wèi)星，相鄰兩軌道上的衛(wèi)星相隔40度，使得地球任何地方至少同時可看到四顆衛(wèi)星。傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)在戶外運(yùn)轉(zhuǎn)良好，但在室內(nèi)或衛(wèi)星信號無法覆蓋的地方效果較差，而且如果所在位置上空沒有3顆以上的衛(wèi)星，那么系統(tǒng)就無法從冷啟動狀態(tài)實(shí)現(xiàn)定位。

為滿足物流公司跟蹤定位貴重物品的迫切需要，本文提出了一組基于GPSOne技術(shù)的解決方案。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，通常有以下幾種定位技術(shù)： 一是基于Cell ID的定位技術(shù)，它由網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取用戶當(dāng)前所在的基站Cell信息以獲取用戶當(dāng)前位置，其精度取決于移動基站的分布及覆蓋范圍的大??； 二是基于AFLT的定位技術(shù)，AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）是CDMA獨(dú)有的技術(shù)，在定位操作時，手機(jī)/終端同時監(jiān)聽多個基站的導(dǎo)頻信息，利用碼片時延來確定到附近基站的距離，最后用三角定位法算出具體位置； 三是基于AGPS（無線網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位技術(shù)）的定位技術(shù)，AGPS將終端的工作簡化，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的定位服務(wù)器與終端相互配合完成定位工作，就是將衛(wèi)星掃描及定位運(yùn)算等最為繁重的工作從終端一側(cè)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的定位服務(wù)器完成。

1 定位系統(tǒng)方案

使用CDMA的DTGS-800模塊定位是一種很好的物流跟蹤管理方案。該模塊基于GPSOne技術(shù)，GPSOne是一種應(yīng)用和改善GPS技術(shù)的方案，又稱為輔助GPS（Assistant GPS）定位技術(shù)。GPSOne移動定位技術(shù)，結(jié)合了GPS衛(wèi)星信號和CDMA網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行混合定位。隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步，人們的活動范圍越來越大，越來越不確定。移動通信最顯著的特點(diǎn)就是位置的移動，從而自然衍生出一些和位置相關(guān)的服務(wù)需求。在移動通信蓬勃發(fā)展的今天，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)提供的定位服務(wù)，移動通信用戶不僅可以通過這項(xiàng)技術(shù)隨時了解自己所處的位置，還可延伸到周圍有什么自己感興趣的東西（或場所），或者他人想知道移動者（或移動物）在什么位置等等。

GPSOne是一種由A-GPS（Assisted Global PositionSystem，網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS）與CDMA三角定位結(jié)合而成的混合定位技術(shù)。兩者的有機(jī)結(jié)合使兩種定位技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)。在遠(yuǎn)離市區(qū)的郊外和農(nóng)村，CDMA三角定位技術(shù)因無線基站稀少而精度較差，但這些地方衛(wèi)星信號較強(qiáng)，可充分利用A-GPS提供的位置信息實(shí)現(xiàn)精確定位；在城市繁華地區(qū)、大型商廈、寫字樓等高層樓宇密集的地方或者室內(nèi)，衛(wèi)星信號較弱。

同時，DTGS-800模塊采用的是機(jī)卡分離技術(shù)，只要將一片R-UIM卡開通上網(wǎng)和GPSOne定位功能，然后插入模塊就可獲得上網(wǎng)和定位服務(wù)。 DTGS-800模塊自帶TCP／IP協(xié)議棧，只需通過單片機(jī)給模塊相應(yīng)的命令，模塊就能自動通過無線方式使用TcP協(xié)議連接到Internet。進(jìn)行連接前，設(shè)定所連接的IP地址和端口號為監(jiān)控端服務(wù)器的IP地址和端口號，就可以實(shí)現(xiàn)Internet數(shù)據(jù)傳輸功能。GIS是以測繪測量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計(jì)算機(jī)編程為平臺的全球空間分析即時技術(shù)。這是GIS的本質(zhì)，也是核心。物質(zhì)世界中的任何事物都被牢牢地打上了時空的烙印。人們的生產(chǎn)和生活中百分之八十以上的信息和地理空間位置有關(guān)。GIS作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術(shù)和學(xué)科，近年來得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展。由于信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字時代的來臨，理論上來說，GIS可以運(yùn)用于現(xiàn)階段任何行業(yè)。從技術(shù)和應(yīng)用的角度，GIS 是解決空間問題的工具、方法和技術(shù)；整個定位系統(tǒng)如圖1所示。

定位系統(tǒng)包括定位終端、CDMA網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星系統(tǒng)及物流公司監(jiān)控平臺4個部分。定位終端通過衛(wèi)星或者CD-MA基站獲取了當(dāng)前的時間、經(jīng)緯度信息后，通過 CDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet上，物流公司監(jiān)控平臺利用軟件接收來自Internet的相應(yīng)信息。只要R-UIM卡開通了CD-MA的GPSOne 定位和上網(wǎng)功能，就可獲得CDMA網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)的相應(yīng)服務(wù)。

整個定位系統(tǒng)的工作方式如下：將DTGS-800模塊、行程開關(guān)、天線和其他輔助電路封裝成一個獨(dú)立單元制成定位終端，固定在存放物品集裝箱的開箱口。運(yùn)輸過程中，當(dāng)集裝箱密封完好并正常運(yùn)輸時，此定位終端可以定時向監(jiān)控平臺發(fā)送經(jīng)緯度、時間等信息；而當(dāng)集裝箱被非正常開啟時會觸及行程開關(guān)，該定位終端可及時向監(jiān)控平臺發(fā)送報(bào)警信息和定位信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

定位終端硬件總體框圖如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)組成

整個定位終端系統(tǒng)包括電源和電池供電模塊、MCU模塊及外圍電路、DTGS-800模塊及外圍電路。由一片單片機(jī)來控制具有定位功能的DTGS-800，它們之間的通信是通過串口來完成的。由于所選單片機(jī)和DTGS-800的工作電平都在各自的工作電平范圍之內(nèi)，所以可以直接互連，無需額外的電平變換電路。

2.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 電源和電池供電模塊

電源供電部分包括兩部分：專門的電池供電和汽車電源供電。整個終端系統(tǒng)使用的是專門的電池供電，在運(yùn)輸行程較長而導(dǎo)致電池供電不足時，系統(tǒng)電壓檢測電路會發(fā)出報(bào)警，這時可以轉(zhuǎn)換成由汽車電源對其進(jìn)行供電。

專門的電池供電。DTGS-800供電有兩種方法：電池供電（VBATT_INT引腳輸入）和外部供電（VEXT_DC引腳輸入）。當(dāng)用電池供電時，要求供電電壓VBATT_INT范圍為+4.O V±10%。因此選用的是容量為10Ah、輸出電壓為3.7 V的鋰聚合物電池。由于選擇的單片機(jī)是3.3 V供電，故電池在向單片機(jī)供電時需加一片LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片MIC5219，其最小壓差可以達(dá)到0.3 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

汽車電源供電。目前汽車用的電池多為鉛酸蓄電池，小型汽車用電池一般為12 V，大中型汽車（柴油發(fā)動機(jī)）為24 V。DTGS-800啟動時首先要初始化系統(tǒng)和尋找網(wǎng)絡(luò)，功耗較高，約300～500 mA，穩(wěn)定下來后最高功耗（打電話或者上網(wǎng)、定位的情況下）大約在300 mA。設(shè)計(jì)時要留有余量，因此供電電源要求在外部供電（VEXT_DC）的情況下能有4.5～5 V、1 A的穩(wěn)定直流供電，最高不能超過5.5 V。考慮到壓差較大，且要求輸出電流大于1 A，選用的是輸出電壓為5 V、輸出電流最大為3 A的DC-DC（開關(guān)電源）芯片LM2576-5。電源及電池供電模塊電路如圖3所示。

2.2.2 MCU模塊及外圍電路

MCU按其存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型（典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM（One Time Programming, OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。MASKROM的MCU價格便宜，但程序在出廠時已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場合。

MCU選用的是宏晶科技公司的STC12LE5410AD，其工作電壓為3.3 V，便于在所選定的系統(tǒng)電源下工作。這是一款帶A／D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)芯片，具有超強(qiáng)抗干擾的特性，并且具有超低的功耗，正常工作時電流僅為4～7mA，空閑時電流<1 mA。它的工作周期僅為一個時鐘周期，可以大大降低使用的晶振頻率，從而降低EMI（Elec-tromagnetic Interference，電磁干擾）。

MCU外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路、開關(guān)檢測電路和電壓測量部分。開關(guān)檢測電路用來檢測行程開關(guān)的動作，電壓測量部分利用單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換功能是來測量DTGS-800供電的電池電壓，當(dāng)檢測到電池電壓不足時會發(fā)出報(bào)警，此時需將供電部分轉(zhuǎn)換到汽車電源上。MCU及外圍模塊電路如圖4所示。

2.2.3 DTGS-800模塊及外圍電路

CDMA模塊選用的是美國高通公司帶有GPSOne定位功能的集成MSM6050芯片組的DTGS-800。此模塊接口共有100個引腳，可提供電話、短信、音頻、傳真、定位、上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽€提供多種用戶接口，用戶可方便地根據(jù)需要進(jìn)行開發(fā)。

DTGS-800與單片機(jī)接口使用的是3線（TXD，RXD，GND）串口，利用AT指令可以實(shí)現(xiàn)打電話、發(fā)短信及定位等功能，但是在上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸時需要接串口的流控信號（如RTS、CTS及DTR等）。RTS為請求發(fā)送信號；CTS為清除發(fā)送信號，起流控作用；DTR為數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好信號，用來指示上網(wǎng)時數(shù)據(jù)連接的有效性，系統(tǒng)中使用單片機(jī)的一個I／O口來控制。當(dāng)DTR=1時，表示允許數(shù)據(jù)連接。此時單片機(jī)向DTGS-800發(fā)送上網(wǎng)指令，DTGS -800就被允許連接到Internet，單片機(jī)即可通過串口控制DTGS-800向指定IP地址和端口號的服務(wù)器上傳輸數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)與DTGS-800通信，分為單片機(jī)控制DTGS-800執(zhí)行相應(yīng)的功能，以及控制 DTGS-800通過網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)2部分。單片機(jī)控制DTGS-800執(zhí)行相應(yīng)的功能，只需要通過串口給DTGS-800發(fā)送AT指令，不同的AT指令可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。AT命令是以“AT”為首，字符結(jié)束的字符串。單片機(jī)每向模塊發(fā)送一個AT指令，模塊都會返回?cái)?shù)據(jù)。返回的數(shù)據(jù)是以結(jié)束的字符串。單片機(jī)收到數(shù)據(jù)之后，要經(jīng)過一定的解析和處理，才能重新發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)器。串口的設(shè)置如下：115 200 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。單片機(jī)控制DTGS-800向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，定義了相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式：幀頭+數(shù)據(jù)內(nèi)容。幀頭包括以下內(nèi)容：16字節(jié)定長的R-UIM卡號碼、1字節(jié)的命令標(biāo)識、1字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容長度，命令類型說明如表1所列。

例如，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)是定位信息時，幀數(shù)據(jù)依次是：16字節(jié)的R-uIM卡號碼（通常為11字節(jié)），類似于手機(jī)號碼，不夠16字節(jié)時，后面補(bǔ)0x00；1字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容長度，用來說明每幀幀頭后面發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容的字節(jié)數(shù)；1字節(jié)的命令標(biāo)識，表明發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的意義，如果是定位信息，則發(fā)送的是0x12；緊接著是數(shù)據(jù)內(nèi)容。

系統(tǒng)軟件工作過程如下：在運(yùn)輸過程中，單片機(jī)使用定時器定時向監(jiān)控平臺服務(wù)器發(fā)送定位信息。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式遵照前面所述的通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式。首先，單片機(jī)向DTGS-800發(fā)送定位指令“AT+GPSSRT”，CD-MA模塊完成定位后向單片機(jī)返回定位信息。單片機(jī)對此信息進(jìn)行解析，提取經(jīng)緯度及當(dāng)前時間等有效信息后對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；再向模塊發(fā)送上網(wǎng)指令“ATDT1123”，數(shù)據(jù)連接狀態(tài)有效后，就開始向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送定位信息。軟件流程如圖5所示。

注意：在TCP連接并發(fā)送數(shù)據(jù)時使用了握手機(jī)制，即應(yīng)答機(jī)制。為使系統(tǒng)的流程更加清晰，圖5中未給出握手過程。當(dāng)DTGS-800模塊向監(jiān)控端發(fā)送數(shù)據(jù)時，監(jiān)控端需要根據(jù)情況返回應(yīng)答信號；模塊如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有得到應(yīng)答，默認(rèn)為連接超時。

結(jié) 語

傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)在物流中應(yīng)用時，除了使用GPS模塊之外，還需要另外使用GSM模塊等其他輔助硬件才能實(shí)現(xiàn)定位報(bào)警功能。而在本文基于GPSOne技術(shù)的定位終端中，DTGS-800模塊融合了定位、GSM及CDMA網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等多種功能，集成度和性價比高。系統(tǒng)測試表明，本方案在樓群密集的市區(qū)或者室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精確定位，克服了GPS技術(shù)定位盲區(qū)的缺點(diǎn)。此系統(tǒng)裝置體積小，便于安裝在物品集裝箱內(nèi)；定位數(shù)據(jù)能及時地通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物流公司的監(jiān)控平臺服務(wù)器上，便于實(shí)時監(jiān)控和管理；還可以在發(fā)生物品被盜事件時及時報(bào)警，便于物流公司查清事實(shí)，追究責(zé)任，在一定程度上能防止物流公司內(nèi)部員工盜竊。