基于單片機與GPS/GPRS 的車(chē)載監控終端的設計與實(shí)現

引言

隨著(zhù)科技的發(fā)展，汽車(chē)的普及和道路的建設，城際間的經(jīng)濟往來(lái)更加頻繁，活動(dòng)的區域也越來(lái)越大，由此產(chǎn)生了交通擁擠、車(chē)禍增加、廢氣排放量增加等嚴重問(wèn)題。智能交通系統（IntelligentTransportSystem）的出現有效地改善了以上各種交通問(wèn)題。智能交通系統是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計算機技術(shù)等有效地集成運用于整個(gè)交通運輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準確、高效的綜合的運輸和管理系統。它通過(guò)人、車(chē)、路的和諧、密切配合提高交通運輸效率，緩解交通阻塞，提高路網(wǎng)通過(guò)能力，較少交通事故，降低能源消耗，減輕環(huán)境污染。

車(chē)載監控系統是智能交通系統的一個(gè)分支，它集先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)、地理信息系統和現代移動(dòng)通信技術(shù)于一身，不僅在智能交通系統中擔負主要作用，同時(shí)還能提供防盜防搶劫報警、緊急醫療求助、娛樂(lè )等多種服務(wù)。本文就選取整個(gè)系統中的車(chē)載終端模塊進(jìn)行設計與實(shí)現，并且介紹了下GPS車(chē)載終端。

一、關(guān)于GPS車(chē)載終端

GPS車(chē)載終端又稱(chēng)GPS車(chē)輛管理系統或GPS車(chē)載監控系統，它是依托衛星定位、地理信息及無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)手段，實(shí)時(shí)掌握車(chē)輛位置和狀態(tài)，提供調度管理信息的軟硬件綜合系統。

1.車(chē)輛監控系統總體結構

車(chē)輛監控系統由GPS衛星、車(chē)載終端、通信網(wǎng)絡(luò )（GPRS和Internet）和監控中心四大部分組成。車(chē)輛在運行過(guò)程中，車(chē)載終端的GPS接收機接收定位數據，計算出車(chē)輛當前的經(jīng)度、緯度、速度、航向和其他信息（時(shí)間、狀態(tài)）等，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳送到具有靜態(tài)IP地址的監控中心，并存人中心數據庫。監控中心在接到車(chē)輛上傳的信息后，根據車(chē)輛的當前狀況科學(xué)地進(jìn)行調度和管理，從而提高運營(yíng)效率?？蛻?hù)也可以通過(guò)Internet或電話(huà)來(lái)查詢(xún)特定車(chē)輛的當前狀況。

系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

2.車(chē)載終端的特點(diǎn)
1、外觀(guān)小巧，性能穩定。主機如煙盒大小，可以安裝在很隱蔽的地方，GPS天線(xiàn)也無(wú)須安放在外，因為它采用的是超強度接收的第四代模塊，所以可以安放在車(chē)內比較隱秘的地方。主機內部元器件全部采用進(jìn)口工業(yè)級材料，核心GSM模塊為德國的西門(mén)子品牌，GPS模塊為HOLUX SIRF III，核心單片機為穩定性最強的P IC，其它IC元件為德國TI公司的。

2、安裝簡(jiǎn)單。只需要駁接原車(chē)兩條電源線(xiàn)即可，斷油裝置可接可不接，如果需要安裝斷油裝置的話(huà)只需將原車(chē)油泵供電線(xiàn)剪斷然后串聯(lián)到本機即可。

3、誤報警率低。本產(chǎn)品注重人性化設計，將誤報警率降到最低。

4、多重防范，確保有警必報。

3.車(chē)載終端的功能

車(chē)載GPS／GPRS終端的衛星接收模塊采集到GPS衛星數據，經(jīng)過(guò)數據處理得到車(chē)輛的地理坐標信息。該信息通過(guò)車(chē)載終端處理之后，由GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送到GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)上。GPRS網(wǎng)絡(luò )根據相應的協(xié)議在車(chē)載終端和接人Internet網(wǎng)的監控中心之間建立一條支持TCP／lP的數據通道。車(chē)載GPS／GPRS終端依靠該數據通道和監控中心之間進(jìn)行信息的交互。監控中心還可以通過(guò)該通道向下發(fā)送控制命令和服務(wù)信息。

另外，除了車(chē)輛定位，系統還可以提供諸如防盜防搶、對移動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行斷油斷電、顯示調度信息、醫療求助、移動(dòng)電話(huà)等多種服務(wù)。

二、車(chē)載終端硬件設計

車(chē)載終端硬件系統以ATMEGA64(L)單片機和GPS+GPRS模塊為核心，其結構如圖2所示。

1.信息處理和控制模塊

本文采用AVR系列的單片機系統，主要是進(jìn)行信息處理和控制車(chē)載臺的各組成部分按照通信協(xié)議的要求執行響應的操作。該模塊由CPU、外部存儲器、I／O接口以及控制邏輯電路組成。CPU采用ATMEGA64（L）單片機實(shí)現，該單片機具有兩個(gè)串口，分別用來(lái)與GPS和GPRS模塊通信。它是基于增強的AVRRISO結構的低功耗8位CMOS微控制器，曲于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATMEGA64（L）的數據吞吐率高達1MIPS／MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.GSM／GPRS+GPS模塊

GSM/GPRS+GPS模塊采用SIMCOM公司的SIM508模塊。SIM508模塊是一款將三頻GSM／GPRS和具有20通道能力的GPS完全整合到一個(gè)模塊中（34mm×55mm×3mm）的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的設計完全滿(mǎn)足車(chē)載應用環(huán)境要求（溫度、濕度、防震等）。特別地，整合了附加元器件的SIM508可以節省很多時(shí)間和成本。車(chē)載終端通過(guò)模塊中的GPS部分獲得車(chē)輛的具體位置，經(jīng)過(guò)CPU處理后，顯示給用戶(hù)并通過(guò)GPRS部分將該信息發(fā)送到監控中心，以實(shí)現對車(chē)輛的實(shí)時(shí)定位跟蹤，同時(shí)還能實(shí)現語(yǔ)音和短消息通信功能。

3.輸入輸出模塊

車(chē)載終端的輸入主要有遙控器輸入（主要輸入設備）和手柄輸入兩種方式?？紤]到在緊急情況下手柄輸入的局限性，本文采用遙控器作為主要輸入設備，可以用來(lái)完成語(yǔ)音撥號、收發(fā)短消息、醫療求助、維修求助、啟閉設備等功能。

輸出通過(guò)12232F液晶模塊實(shí)現，可以顯示圖形，也可以顯示7.5×2個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字，與外部CPU接口可以采用并行或串行，考慮到編程的簡(jiǎn)易性，本車(chē)載終端采用串行接口連接。

三、車(chē)載終端軟件設計

本軟件系統采用模塊化設計方法，每個(gè)模塊實(shí)現一個(gè)功能或一個(gè)協(xié)議，各功能模塊以子函數形式出現，縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，易于程序修改和移植，同時(shí)，在編寫(xiě)軟件時(shí)，還留有一些軟件應用接口，便于軟件升級，如增加新協(xié)議。

軟件系統功能模塊如圖3所示。

1.軟件系統的工作流程

車(chē)載終端軟件系統的主要功能是由主程序完成的。主程序采用狀態(tài)機的系統結構，其工作流程如圖4所示。

程序工作時(shí)先進(jìn)行GPS和GPRS串口初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，先識別GPS數據是否有效，即定位是否成功，定位成功則系統轉到下一個(gè)狀態(tài)，建立GPRS連接，否則重新定位。建立好GPRS連接后便可以向監控中心發(fā)

送處理后的定位數據。同時(shí)，主程序運行的過(guò)程中，還能響應遙控器輸入中斷請求，以便實(shí)現其他功能。

2.軟件系統協(xié)議棧

借鑒于OSI模型和標準的TCP／IP協(xié)議棧，本系統采用四層網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議：傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層。系統協(xié)議棧結構如圖5所示。

考慮到車(chē)輛監控系統中幾十、幾百甚至上千個(gè)車(chē)載終端的情況，對于這種數據量小、多點(diǎn)分散、實(shí)時(shí)性要求高、終端數量多的應用，傳輸層采用UDP比TCP會(huì )更好一些。IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議，主要是將數據流切割成適當的大小，然后將這些數據包通過(guò)選擇路由，利用不同的路由來(lái)傳送到目的地IP。在物理層之上，PPP協(xié)議作為GPRS在物理層之上的惟一指定的數據鏈路層協(xié)議，通過(guò)CRC校驗、確認等手段將原始的物理層連接改造成無(wú)差錯的數據鏈路。PPP協(xié)商成功后，系統將成功遠程登錄Internet，并得到網(wǎng)關(guān)分配給自己的IP。終端與網(wǎng)絡(luò )之間的物理層通道就是GPRS連接。具體的GPRS協(xié)議都已被做在GPRSmodem中，通過(guò)數據端對GPRSmodem正確的AT指令設置后，就可以用AT撥號指令進(jìn)行撥號連接，當收到GPRSmodem的撥號反饋應答后，一條物理通道即GPRS信道就在本終端中和網(wǎng)絡(luò )之間建立起來(lái)了。

3.城市智能交通的未來(lái)發(fā)展趨勢

隨著(zhù)城市交通問(wèn)題的日益發(fā)展，城市交通綜合信息平臺、全球定位與車(chē)載導航系統、城市公共交通車(chē)輛以及出租車(chē)的車(chē)輛指揮與調度系統、城市綜合應急系統都將迎來(lái)較大的發(fā)展機遇。

總體而言，城市智能交通系統的發(fā)展趨勢將表現為綜合化、多部門(mén)驅動(dòng)型的發(fā)展模式。由于城市智能交通體系將涉及相關(guān)的市民、公安交通管理、交通部門(mén)車(chē)輛管理、城市建設、通信等相關(guān)部門(mén)工作，因而未來(lái)城市智能交通的發(fā)展過(guò)程必然是一個(gè)涉及以交通與公安為主的多部門(mén)驅動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。

四、總結

本文介紹了基于GPS／GPRS的車(chē)輛監控系統終端的實(shí)現方案，給出了詳細的軟件及硬件組成和設計實(shí)現，經(jīng)多次測試系統穩定，效果良好。該系統可以應用手指揮監控系統、城市租賃汽車(chē)管理系統、物流運輸系統、醫療救護系統等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景極為廣闊。