基于GPS定位的嵌入式汽車(chē)監控器設計

　　圖1 系統功能圖

系統功能

本監控器不同于普通的汽車(chē)防盜器，并不提供被盜時(shí)聲光報警和汽車(chē)電路切斷等功能。它相當于一個(gè)具有報警功能的跟蹤器，利用GPS定位來(lái)判斷汽車(chē)是否被盜。在確定汽車(chē)被盜后，可利用GSM短信將汽車(chē)的位置信息隨時(shí)發(fā)送給警方。這種監控器是一般汽車(chē)防盜器的補充，它不易被發(fā)現，短期內無(wú)法拆除，而且定位精度較高（10m左右）。

整個(gè)監控器的系統功能如圖1所示。監控器安裝在汽車(chē)的隱蔽處，平時(shí)利用汽車(chē)電瓶供電，在汽車(chē)電源被切斷后，可自動(dòng)改用電池獨立供電，GPS接收天線(xiàn)位于汽車(chē)外部，有利于更好的接收信號。整個(gè)監控器工作的基本方式為，在汽車(chē)正常行駛的時(shí)候，監控器處于節電的休眠狀態(tài)。當汽車(chē)停止，車(chē)主離開(kāi)時(shí)，車(chē)主可利用手機發(fā)送短信給監控器，命令其處于監控狀態(tài)。這時(shí)監控器的GPS接收功能開(kāi)啟，定時(shí)接收GPS定位衛星發(fā)送的位置、速度和高度等信息，同時(shí)將靜止位置標志為安全位置。當竊賊破壞汽車(chē)的通用防盜系統，駕駛汽車(chē)離開(kāi)時(shí)，GPS接收到的位置坐標發(fā)生變化，當速度、位置偏差大于設定的報警值時(shí)。監控器將自動(dòng)發(fā)送報警信息到車(chē)主的手機，提示汽車(chē)被移動(dòng)，可能被盜。當車(chē)主報警后，為配合警方查找被盜的汽車(chē)，車(chē)主可再次發(fā)送命令給監控器，打開(kāi)定時(shí)短信發(fā)送功能，將當前的汽車(chē)坐標定時(shí)地發(fā)送到車(chē)主或報警中心，配合電子地圖可以非常方便的查找到當前的汽車(chē)位置，可迅速破案。系統附帶的SD卡可在報警后長(cháng)時(shí)間的存儲汽車(chē)變化的坐標等信息，作為破案的證據和查找竊賊同伙的線(xiàn)索。

系統硬件設計

為了實(shí)現監控功能，要求監控器具有GPS接收、GSM短信發(fā)送和大量數據存儲功能，并有一定的多任務(wù)處理能力，成本低，體積小。監控器的硬件結構如圖2所示。

　　圖2 監控器硬件結構圖

一款合適的主芯片將在系統中起到重要的作用，本監控器中選用了FS7821LQ嵌入式芯片。FS7821LQ集成了RISC結構的8051內核、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外接電路簡(jiǎn)單、功能強大、價(jià)格低廉，非常符合本設計的要求。

監控器的短信功能主要完成車(chē)主短信命令的接收和汽車(chē)GPS位置數據的發(fā)送，系統選用成熟的GSM-RTU短信模塊完成。該模塊內嵌GSM模塊、16位低功耗MSP430單片機控制管理，具有遙測遙控的核心單元、1個(gè)可配置的標準串口（RS-232C）、標準天線(xiàn)和SIM卡接口。將購買(mǎi)的手機SIM卡插入短信模塊，并完成系統（包括服務(wù)電話(huà)號碼）設置后，將短信模塊的串口和監控器的串口1（外加電平轉換芯片，使之符合RS-232C電平標準）連接，就完成了短信模塊的硬件安裝。

GPS模塊主要完成汽車(chē)GPS數據的接收，系統選用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衛星信號）進(jìn)行比較解算，可選用速度、位置、海拔等相關(guān)數據，價(jià)格低廉，精度較高。該模塊輸出可選用RS-232C接口，利用系統主控芯片FS7821LQ的串口2和GPS模塊連接。因為傳輸的數據量不大，利用串口傳輸數據可避免使用USB接口必須在系統上建立主USB口的麻煩。

圖3為系統硬件的電路設計圖，FS7821LQ具有完整的SD卡驅動(dòng)及接口，系統直接利用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動(dòng)，系統中預留為USB 2.0的接口，作為產(chǎn)品升級使用。此外，系統還預留了FS7821LQ的10個(gè)通用I/O口作為后續報警功能的控制端口。

　　圖3 系統硬件電路設計圖

系統軟件設計

由于本監控器包括了多種較復雜的功能，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)的執行，在組成的嵌入式系統中，移植了礐/OS-II操作系統。礐/OS-II作為一個(gè)免費的源碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，提供了多任務(wù)的切換能力和中斷、UART的驅動(dòng)等功能，完全可以滿(mǎn)足本操作平臺的要求。

礐/OS-II作為一個(gè)最基本的任務(wù)調度內核，只具備任務(wù)切換的能力，本監控器根據其功能可分為如表1所示的4個(gè)任務(wù)：主任務(wù)優(yōu)先級最高（10）；短信收發(fā)任務(wù)優(yōu)先級次高（12），主要包括接收短信功能（包括設置、開(kāi)關(guān)監控器）、發(fā)送短信功能（報警時(shí)5s發(fā)送一次GPS坐標），這個(gè)任務(wù)的時(shí)間隨機性較大，實(shí)時(shí)要求較高；GPS接收任務(wù)每5s接收一次GPS數據，并解析其坐標，判斷是否報警；數據存儲任務(wù)在報警后每60s存儲一次GPS坐標（128Mb卡約可保存1個(gè)月的數據）。

因為監控器中使用了USB設備和SD卡，在具備硬件接口的同時(shí)必須在軟件中提供USB和SD的驅動(dòng)程序。FS7821LQ芯片的開(kāi)發(fā)套件中提供了USB驅動(dòng)程序和SD/MMC卡的驅動(dòng)程序，包括支持標準MMC卡命令；嵌入5B命令存儲器；嵌入17B響應存儲器 ；支持1/4/8位數據寬度；對卡支持20MHz的時(shí)鐘頻率。為了將GPS數據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，本監控器將簡(jiǎn)化的FAT16文件系統移植成功，實(shí)現了文件的自由存取。

在移植了礐/OS-II并嵌入了USB和SD/MMC卡的驅動(dòng)程序后，監控器的應用層次的軟件安裝系統的功能分為優(yōu)先級不同的多個(gè)任務(wù)。其中主任務(wù)用于生成其他任務(wù)，其優(yōu)先級最高（10）；GPS接收任務(wù)負責控制MG-30U/R-GPS模塊，并從中獲取所需要的GPS數據，其優(yōu)先級次高（12）；短信收發(fā)接收任務(wù)完成接收車(chē)主短信和發(fā)送GPS數據的功能，其優(yōu)先級再次之（14）；最后，數據存儲功能完成GPS在SD卡中的存儲和系統設置的功能其優(yōu)先級為16。程序中同時(shí)建立了消息隊列用于完成各任務(wù)間的通信和數據交換，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(chē)監控器的設計采用了大量成熟的技術(shù)和模塊。它的應用主要是在汽車(chē)被盜時(shí)發(fā)出警告和被盜后提供準確的汽車(chē)位置信息，不能取代傳統的汽車(chē)防盜器，但能提供非常實(shí)用的防盜功能，為被盜車(chē)的查找提供快速準確的信息。隨著(zhù)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)該監控器也可以和通用的汽車(chē)防盜器相整合，發(fā)展為更加完善的系統。