GPS_GPRS定位定向導航系統車載終端應用設計與實現

　　目前,隨著人民生活水平的提高,交通工具越來越多,安全服務也越來越受到重視,尤其是車載監控系統越來越多地受到業界的關注。本文介紹了作者設計的一種車載監控系統（以下簡稱為車載系統）,并重點介紹了車載系統終端的設計與實現。該系統將GPRS、GPS技術相結合,利用GPRS的數據傳輸功能,實現移動車輛與監控中心的雙向數據傳輸,以實施對車輛運行狀態、安全狀態、技術狀態的監控。

　　二、 系統組成及特點

　　由于在GPS_GPRS定位系統中,涉及到了GPS衛星定位技術與GPRS通用分組無線業務的相關應用,從而在系統的組成中,GPS與GPRS無疑是整個系統的核心部門,下面就GPS系統與GPRS系統,以應用為前提作如下簡要介紹。

　　全球定位系統（GPS,Global Positioning System）是美國從上世紀70年代開始研制、歷時20年、耗資200億美元、于1994年全面建成、具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。

　　GPRS是歐洲電信協會GSM系統中有關分組數據所規定的標準。它采用信道捆綁（目前GPRS的設計 可以在一個載頻或8個信道中實現捆綁）和增強數據速率改進實現高速接入,理論上可提供高達115kbps的空中接口傳輸速率,使若干移動用戶能夠同時共享一個無線信道,一個移動用戶也可以使用多個無線信道。實際不發送或接收數據包的用戶僅占很小一部分網絡資源,并且網絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。

　　為了實現GPRS,需要在現有的GSM網絡中引入3種新的邏輯網絡實體：服務GPRS支持節點（SGSN）、網關GPRS支持節點（GGSN）和分組控制單元（PCU）。GPRS與現有的GSM語音系統最根本的區別是,GSM是一種電路交換系統,而GPRS是一種分組交換系統。因此,GPRS特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸。這一特點正適合大多數移動互聯的應用。

　　基于以上對GPS系統和GPRS系統的簡要介紹,可以得出GPS_GPRS定位系統車載終端的組成及特點。其中,系統結構方框圖如圖1所示,系統工作流程為：GPS_GPRS定位系統車載終端將其所獲取的當前GPS地理位置信息,通過GPRS方式上傳到系統服務器。客戶端可以通過專用GIS軟件或IE瀏覽方式,對當前受監控車輛所在的位置、車速及行進方向進行實時監控,并可以通過網絡對車載終端進行控制,實現移動車輛與監控中心的雙向數據傳輸,完成對車輛運行狀態、安全狀態、技術狀態的監控。

　　圖1 系統結構方框圖

　　三、系統功能及工作原理

　　GPS_GPRS定位系統車載終端原理框圖如圖2所示。

　　圖2 車載終端原理框圖

　　其中,該車載終端需要實現的主要功能如下：

　　用戶當前信息一次查詢;

　　用戶連續定位信息查詢/啟動發送實時定位信息;

　　停止終端定位數據上傳;

　　設置GPS采樣定位數據周期;

　　硬件點對點下載GPS定位系統終端定位采樣數據;

　　備開關（電平）輸出/輸入端子,實現與車用防盜報警器、緊急報警（SOS）、醫療服務、故障服務、繼電器輸出、警示嗽叭、點火信號等的接口;

　　安防功能：可以通過手機短信、直接遙控、網絡等三種方式進行設/撤防操作。同時具備應急、緊急求助功能。且當系統在一定程度上遭到破壞或出現異常時,系統終端自動啟動安防功能;

　　監聽功能：用戶可通過手機短信,或者網絡對監聽號碼（接警號碼）進行設置并發送監聽命令（監聽電話主動掛機則結束監聽）,且當系統在一定程度上遭到破壞或出現異常時,系統終端將自動啟動安防功能;

　　電話功能：通過電話手柄,完成撥打和接聽電話的功能;

　　欠壓檢測示警及后備電源自動啟用功能。

　　該系統車載載終端的工作原理如下：

　　車載終端由W77E58實現控制,其核心部分主要包括PPP及TCP/IP協議棧、GPRS控制、GPS控制,以及外圍接口控制。CPU內嵌PPP及TCP/IP協議棧,同時分別通過串行口UART0去控制GPRS的工作,通過串行口UART1去控制GPS的工作。其中：

　　（1）CPU對GPRS的控制

　　主要是通過串行口UART0發送AT命令實現。同時,在該系統設計中,CPU還可以通過控制I/O口電平輸出狀態,對GPRS進行硬件復位,以防止意外情況下的不可恢復性死機（值得注意的是,通常情況下,GPRS模塊都有軟件復位命令,為實現對GPRS模塊的保護,最好在軟件復位命令無效時,才選擇硬件復位）。

　　（2）CPU對GPS的控制

　　主要是通過串行口UART1發送控制命令實現（GPS采樣周期的設置、GPS輸出數據選擇 、通訊波特率設置等）,同時也是通過串行口UART1接收GPS定位信息,由于GPS輸出數據采用NMEA-0183(Ver2.0)格式,輸出數據為多組,在本系統中,僅選擇了取其中的一組數據：GPRMC(推薦最小數據量的GPS具體內容/傳輸數據),其格式見圖3,其中,當且僅當GPS輸出數據為有效定位數據時,對應的UTC時間才為當前準確時間。

　　圖3 GPS數據格式（GPRMC）

　　（3）CPU對其它外圍接口的控制

　　主要通過通用I/O口實現開關（電平）輸入/輸出,同時通過外部中斷的方式實現了實現與車用防盜報警器、緊急報警（SOS）、醫療服務、故障服務、點火信號等的接口。

　　（4）CPU對系統的整體控制：

　　首先,CPU完成對GPRS、GPS及外圍接口的初始化工作;其次,CPU通過串行口UART1對GPRS進行操作,完成從撥號到PPP協商（創建PPP鏈路、用戶驗證、PPP回叫控制、協商和調用網絡層協議）,并與服務器建立起TCP連接;然后,在保證與服務器之間的TCP連接正常的前提下,實現與服務器之間的數據交互與控制;最后,CPU還必須要周期性地對系統終端的當前狀 態作出測試及判斷,并對各種實際情況作出相應的處理,以保證系統能正常而穩定地工作。

　　四、系統軟件設計

　　在整個GPS_GPRS定位系統的設計中,涉及到服務器軟件、客戶端應用軟件及車載終端底層軟件。在此,主要就車載終端底層軟件的設計作進一步的說明。

　　在GPS_GPRS定位系統車載終端底層軟件的設計中,程序采用了模塊化設計,軟件由一個主程序和若干個子程序構成,其中,子程序主要完成一些單一的基本工能,主程序則主要負責完成對各個功能模塊（即子程序）的調用,同時對車載終端的資源及邏輯作出規劃,主程序框圖如圖4所示。

　　圖4 系統主程序框圖

　　下面就主程序的設計要點作出如下闡述：

　　當系統完成GPS及GPRS的初始化之后,即進行網絡撥號、PPP協商、TCP聯結等操作,當車載終端與服務器之間建立起網絡聯結之后,便可通過自定義的車載終端與服務器之間的通訊協議進行數據交互。

　　在此過程中,系統會首先判斷,當前系統是否允許終端將GPS數據進行上傳,并進行相應操作;同時,會檢測是否收到控制命令（包括通過網絡發出的控制命令,或通過短信方式發出來的命令,或是通過遙控器發出的控制命令）,倘若收到了控制命令,則對命令的合法性作出判斷,并進行相應的處理。

　　同時,系統會定時對網絡質量進行測試,倘若網絡測試正常,則返回到繼續判斷控制命令及對系統當前狀態進行處理;倘若網絡測試不正常,則進行有限次嘗試,倘若有限次嘗試均以失敗告終,而主動斷開網絡連結,并對GPRS作出復位及再次初始化操作,之后,再重復主程序的撥號、PPP協商、TCP聯結及網絡數據交互工作。

　　其中,與GPRS的數據交換,通過串行口UART0中斷完成;與GPS的數據交換,通過串行口UART1完成;另外,外部警情接收通過外部中斷0和1完成,無線遙控接收由外部中斷2完成。通訊超時及定時處理,由定時器TIME2完成,它們均以子程序的形式存在于車載終端控制軟件中,同時還包括一些對GPRS、GPS模塊進行初始化及設置,以及PPP協議、TCP/IP協議的解析與實現子程序,具體框圖及說明略。

　　由以上對車載載終端控制程序的說明可知,車載終端工作流程控制程序的工作流程如下：

　　1：與服務器建立網絡連接;

　　2：與服務器建立TCP聯結;

　　3：對用戶進行注冊;

　　4：向服務器發送GPS定位數據; 

　　5：默認狀態下,按設定周期（默認狀態為每5秒一幀）,定位數據不間斷地上傳到服務器;

　　6：網絡狀態檢測及網絡質量測試,并據網絡當前狀況,作出相應處理（比如斷線重撥）;

　　7：接收網絡或第三方控制或操作命令,并作出相應處理（比如：GPS采樣周期設定、停止發送GPS數據、開始發送GPS數據、設置監聽號碼、更改操作密碼等）;

　　8：處理突發警情（自動撥打監聽中心號碼、上報求助警情信息等）。

    五、結語

　　利用GPRS的數據傳輸功能,對GPS數據進行實時傳輸,與以往GPS監控系統所采用的短信、GSM數據通道或DTMF數據傳輸等傳統方法相比,運營成本得到了極大的降低,同時其可操作性及實時性也都有了顯著的提高,而且成本較低,結構簡單,達到了較高的可靠性。

　　該系統中,PPP、TCP/IP協議棧都由8位單片機完成,由于速度上的限制,使得系統中的協議棧只能椐實際應用而作出相應的壓縮與處理,但這已足以達到該系統的資源需求。同時,該系統為以GPRS為代表的無線網絡接入方式的應用提供了一個可循的途徑。隨著GPRS、C DMA等無線網絡接入方式的不斷完善,相信以此為代表的新一代無線數據傳輸方式具有很大的應用前景。