一種工程車載定位設備的設計與實現

摘 要：設計并實現了一種應用于工程車輛的車載定位設備(VPEM）以實現對工程車輛的遠程監控和管理。該設備采用了GPS進行全球定位以對工程車輛進行跟蹤，并通過GSM短信息方式或GPRS數據通信業務將信息發送到管理中心，管理中心通過電子地圖定位工程車輛的位置，并可對其進行狀態檢測以及任務調度。同時，也提供了車載電話和音/視頻監控功能。該設備的主要特點是軟硬件均采用模塊化設計，可以根據用戶的需求對定位方式、定位信息的傳送以及調度過程等進行定制。

關鍵詞：GPS;車載設備;GSM;GPRS

Design and Realization of Engineering Vehicles Positioning Equipment

TAN Jiafan，LI Jianhui

(Hunan Insititute of Humanities and Science and Technology，Loudi，417000，China)

Abstract：An Engineering Vehicles Positioning Equipment(EVPE) to complete the remote monitoring and management for vehicles is designed and realized.The equipment using GPS to realize gobal position and track vehicles.Through GSM short message or GPRS data communication business，the equipment sents the information to the management center.The management center uses electronic maps to get the location of vehicles，to implement the state testing and task scheduling for vehicles.Meanwhile，it can also provide mobile phone and audio/video monitoring function.The main feature of equipment is that the hardware and software all use modular design to customize business，such as positioning ways，the transmission of positioning information and scheduling process，according to different users′ need.

Keywords：GPS;vehicles equipment;GSM;GPRS

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1 引 言

目前車輛定位設備正處于高速發展時期，市場上已經有許多車輛定位設備。但是對于不同的車輛，由于其不同的運營模式，對定位功能的需求是不一致的。高檔小轎車的定位功能主要為車載電腦提供位置信息，并以電子地圖的方式展現給車主，進而實現自動導航功能；一些物流型車輛，如出租車、物流公司的貨車以及汽車運輸公司的車輛等，它們定位的目的是為管理中心(由出租車公司、物流公司和汽車運輸公司進行組織）提供車輛的位置以達到管理、調度以及防盜等功能；而以工程機械(如吊車、叉車等）為代表的租賃型車輛則是車載定位設備的一個新興市場，它和物流型車輛類似，但是由于其運營模式不同，所以在設計中必須充分考慮安裝、管理等方面的眾多問題。同時，由于租賃型車輛通常為運營性質，對設備產生的費用比較敏感，同時用戶群體分散而復雜，所以對于計費方式以及調度過程等的需求比較復雜，因此設計過程中還需要盡量降低費用并提供對各種需求的定制接口。

本文設計的evpe就是這樣一種應用于工程車車載定位的設備。

2 工程車載定位設備的特點

車載定位設備主要包含定位模組、無線通信模組和電子地圖三個主要部分，對于不同的車載定位設備它們不一定是必須的。

車載定位設備一般有兩種運行方式：獨立終端模式和管理中心加定位終端模式。

目前有些帶GPS功能的手機實際上就是一種獨立終端模式的車載定位設備，在車上安裝這種設備，然后通過軟件實現車輛定位和導航的目的，這種設備只有一個獨立的設備，它一般不會將定位等信息與其他車輛或者管理中心共享，在目前私家車中得到越來越多的應用^［1］。獨立終端模式的車載定位設備一般包含定位模組和電子地圖，但是不一定具有無線通信模組。

管理中心加定位終端模式的車載定位則是比較普遍使用的一種模式，圖1所示是該模式一種典型的運行方式。圖中管理中心一般由主機加一臺管理終端設備組成，管理終端設備實現無線通信模組；定位終端設備則分散安裝在移動車輛中，必須實現定位模組和無線通信模組，復雜的可能還需要配備電子地圖。定位終端設備將從GPS模組接收到的定位信息以及其他車輛狀態信息通過無線通信方式發送出去，并由管理中心的管理終端設備接收，定位信息被傳送到管理中心的主機，并在電子地圖中進行定位，其他信息由主機上相應的軟件進行處理，必要的話也可由主機軟件發送控制命令到定位終端設備控制設備的相關動作。

EVPE就是一種典型的管理中心加定位終端模式的車載定位設備。目前許多大型工程車輛均采用租賃模式運營，而提供租賃服務的車主由于設備投資巨大多采用按揭的方式或者向車輛賣方賒欠的方式購買車輛，車輛投入運營后以運營收入按月或定期支付。由于車主多為個體經營，個別車主購買后不能定期、定量支付所欠銀行或賣方的費用，而又無法確定車輛行蹤，導致銀行或賣方車、財兩空。因此必須有一種有效的手段定位車輛位置，只要車主不能定期、定量支付所欠銀行或賣方的費用，銀行或賣方可以根據車輛位置進行相應的處理，如向其告警或直接將車拖回。另外一個方面，對于專門提供工程機械租賃服務的公司也可通過該設備對其車輛進行監控和調度，以避免車輛丟失，同時還能進行有效的調度。

因此工程車載定位設備具有如下特點^［2］：

(1) 安裝位置必須隱蔽，而且對車主必須保密，因為車主一旦知道有該設備存在，它就會想方設法拆除它，因此，在設計時必須充分考慮安裝位置，且在安裝時必須保證安裝過程的保密。

(2) 必須保證在車輛熄火或蓄電池被取出狀態下仍然能夠正常工作。必須提供電瓶保護功能，電瓶電壓過低、過高時脫離電瓶，直接使用后備電池供電。后備電池須提供充電接口，當電壓過低時從電瓶充電。

(3) 對于主要用于調度的車輛必須提供車載電話可以使車輛和管理中心通話，另外管理中心可以通過安裝在車輛上的攝像頭對車輛狀態進行視頻監控。

(4) 定位終端設備需要監測的狀態至少包括：GPS天線開路、GPS天線短路、主機由后備電池供電、后備電池電量、電瓶被拆除、車門、發動機、ACC、斷油電等。這些狀態將定時發送到管理中心或者由管理中心發送請求時發出。

(5) 需要實現的報警功能：盜警、劫警、電瓶拆除報警、GPS天線開路報警、GPS天線短路報警、GPS模組故障報警。報警方式主要采用短信報警、無GSM信號時提供聲光報警。

3 工程車載定位設備的實現方案

工程車載定位設備的實現方案如圖2所示，它由主處理器、GPS定位模組、GPRS無線通信模組、音/視頻采集模組和以太網通信模組等部分組成。

主處理器是設備的控制中心，基于圖2中的需求，它采用Intel XSCALE系列的PXA270處理器。該處理器在目前PDA手機中得到廣泛應用，它可以穩定工作在520 MHz，并可跳頻到624 MHz。其功耗低，接口豐富，內置多個串口以及USB HOST接口，可以外接USB攝像頭等設備，完全適合本設備的需求，且其功能為后續產品的升級留下了很大的擴展空間^［3］。

定位模組用于實現對車輛的定位，是車載定位設備的關鍵技術之一。定位多采用 GPS(Global Positioning System，全球定位系統），它是美國的國防導航衛星系統，是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統。24顆衛星位于6個傾角為55°的軌道平面內，高度為20 182 km，周期近12 h。衛星用兩個 L波段頻率發射單向測距信號，區別不同衛星采用碼分多址。它是一個軍民兩用系統，提供兩個等級的服務。GPS系統是為全球范圍內的飛機、艦船、坦克、地面車輛、步兵、導彈以及航天飛機等提供全天候、連續、實時、高精度的三維位置、三維速度和精確時間，因此，具有極高的軍用價值和民用前景。目前市場上有許多成熟的GPS模組，GPS模組接收GPS衛星信號，經信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，然后通過串口發送出去。

車輛的移動性決定了系統的通訊必須采用無線通訊方式。現在常用的通訊方式為GSM的短信息業務、GPRS(中國移動網絡）/CDMA(中國聯通網絡）數據傳輸兩種方式。我國GSM公用數字移動通信是覆蓋面最大、系統可靠性最高、保有量最多的數字移動通信系統，利用GSM的短信息業務傳輸GPS信息及其他信息是一種經濟、有效的通信方式。但是該方式具有一定的時延，而且傳輸數據量非常有限。如果需要傳輸大量數據或者要求較小的時延可以采用GPRS/CDMA數據業務進行傳輸。目前市場上也有許多成熟的GPRS模組，它們通過串口接收AT命令集以接收處理器的控制。

圖3為本設備中定位終端設備的GPRS/GPS模組硬件原理框圖。管理終端設備只有GPRS模組，沒有GPS模組。系統采用BENQ的M22 GPRS通信模組和GPS-1000 GPS模組。它們都是通用的GPRS/GPS模組，在各種系統中應用非常廣泛。

定位終端設備的GPRS/GPS模組通過串口連接到PXA270處理器的串口，管理終端設備的GPRS模組則直接通過一個DB9插座通過串口延長線連接到管理中心主機的串口。圖3中GPS模塊需要連接一根GPS天線(ANTENNA），而GPRS模塊需要連接一個SIM卡卡座(SIMCARD）、一根GPRS天線(ANTENNA）、一個耳機插座(SPK）和一個麥克風插座(MIC）。如果不需要進行GSM語音服務(打電話和接電話）則耳機和麥克風插座不需要引出，否則它們將連接到車載耳機和麥克風。

圖4為該設備的語音部分硬件原理框圖，它采用AC97接口的UCB1400芯片，SPEAK和MIC分別連接到車載耳機和麥克風。

視頻采集直接通過普通USB攝像頭插入到USB接口中實現，圖5為該設備的USB接口硬件原理框圖。

以太網通信模組僅在管理終端設備中需要，用于將管理終端設備接收到的音/視頻數據傳送到管理中心的主機。圖6為本設備的以太網卡硬件原理框圖。它采用100 Mb/s以太網接口芯片LAN91C111，由網絡接口芯片LAN91C111、傳送變壓器、RJ45以太網插座和處理器PXA270組成，以實現通過以太網傳送數據的功能。

本設備軟件采用嵌入式Linux，它是目前在手持設備、工業控制等領域都廣泛應用的操作系統。對于PXA270以及本文使用的各種外接芯片接口都支持的非常好^［4］。圖7為本設備軟件系統框圖。

4 VPEM的關鍵技術問題及其解決方法

4.1 無線傳輸方式的選擇

VPEM實現了定位功能、車載電話以及音/視頻監控功能的模塊化設計，可以根據用戶需求自由選擇，同時支持采用短消息和GPRS數據通信兩種方式將用戶信息發送到管理中心。系統根據不同的模塊組合方式對其通信方式進行定制，這個過程是由系統自動完成，不用用戶干預，同時所有的通信方式都可以由用戶進行手動設置^［5］。下面是系統采用的默認通信方式：

(1) 對于不需要車載電話以及音/視頻監控功能的用戶，無線傳輸的內容包括：定位信息、狀態信息。這些信息量很小，直接使用GSM短信息業務完成。

(2) 對于需要車載電話而不需要音/視頻監控功能的用戶，GPS定位等信息采用GSM短信息業務，而車載電話直接采用GPRS模組的GSM電話功能實現。

(3) 對于需要車載電話以及音/視頻監控功能的用戶，車載電話使用音/視頻采集模組采集音頻和視頻數據并通過GPRS模組的GPRS數據通信業務實現，GPS定位等信息可選擇的采用GSM短信息業務和GPRS模組的GPRS數據通信業務，如果音頻和視頻數據采集較頻繁則采用GPRS數據通信業務，否則就使用GSM短信息業務。

4.2 隱蔽安裝的問題

前面已經提到定位終端設備必須隱蔽安裝，因此在設計過程也必須充分考慮該問題。對于GPRS/GPS模組由于它們都必須使用天線才能正常工作，GPRS模組天線較小，信號接收也很強因此選擇較短的天線直接安

[CM(21*2]裝在設備機盒內，而GPS天線必須采用室內天線并安

裝在設備機盒中，由于室內天線會增加設備的成本而且信號也沒有室外天線強，因此，在設計時提供室外天線的接口供不需要隱蔽安裝的用戶使用。

5 結 語

本文設計并實現了一種應用于工程車輛的車載定位設備以實現對工程車輛的遠程監控和管理。該設備采用高檔ARM處理器并嵌入Linux操作系統，為設備提供了良好的擴展能力，有利于產品的進一步升級；該設備硬件采用模塊化設計，充分考慮不同用戶的需求，可以對硬件進行定制；同時不同的用戶可以根據需要選擇不同的無線通信方式，以節省開支。

參 考 文 獻

［1］Elliott D，Kap lan.GPS原理與應用［M］.邱致和，王萬義，譯.北京:電子工業出版社，2002.

［2］劉大杰，施一民.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理［M］.上海:同濟大學出版社，1996.

［3］李麗，題原.GPS在車輛定位系統中的應用\\[J\\].高師理科學刊，2006，26(3):46-49.

［4］李國連，劉萬軍.基于嵌入式技術的GPS車輛導航系統\\[J\\].東北大學學報:自然科學版，2004，25(Z1):162-164.

［5］BENQ Corporation.M22 GSM/GPRS Wireless Module Datasheet\\[S\\].

［6］李庭貴，余春暄.基于嵌入式車載定位導航系統的設計\\[J\\].現代電子技術，2005，28(6):51-52，57.

作者簡介 譚甲凡 男，1962年出生，湖南漣源人，高級講師。主要研究方向為ARM嵌入式技術。