“兩客一危”GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端設計

周永兵，朱靖玉

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

為了加強道路運輸安全管理和運輸車輛動態(tài)監(jiān)管工作，預防和減少道路交通運輸事故的發(fā)生，確保所有旅游包車、三類以上班線客車和運輸危險化學品、煙花爆竹、民用爆炸物品的道路專用車輛（即“兩客一危”車輛）能被企業(yè)、政府平臺實時監(jiān)控，包括監(jiān)控運輸車輛駕駛人超速行駛、疲勞駕駛等違法行為，實現(xiàn)道路運輸科學發(fā)展、安全發(fā)展的有效手段，道路運輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐步受到人們的重視，我國交通管理部門對這種車載終端的技術要求制定了嚴格的標準，這些標準將為車載終端的設計與實現(xiàn)提供了重要的技術依據(jù)。道路運輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)包括車載終端、企業(yè)平臺、各級政府平臺和部級平臺構成，這些構成部分通過通信網(wǎng)絡進行連接。其中的每個部分都需要車載終端的參與，車載終端是安裝在道路運輸車輛上滿足工作環(huán)境要求，具有衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動網(wǎng)絡接入、道路運輸車輛行駛記錄、道路運輸車輛相關信號采集和控制，與其他車載電子設備進行通信，提供政府平臺或企業(yè)平臺所需的信息，完成衛(wèi)星定位系統(tǒng)對車輛功能的裝置[2]。因此，車載終端是道路運輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)中非常重要的組成部分。本文所介紹的“道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端”就是系統(tǒng)中車載終端的一個具體實現(xiàn)。下面詳細介紹車載終端系統(tǒng)的功能與設計實現(xiàn)方法。

1 道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端的功能

根據(jù)道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術要求[1]，車載終端應具有如下要求：1）車輛衛(wèi)星定位；2）無線通信；3）車輛信息采集；4）報警，包括主動報警和自動報警；5）在必要時進行車內監(jiān)聽，及與上級平臺進行通話。另外，車載終端還根據(jù)駕駛員需要實現(xiàn)了其他功能：1）電招服務；2）多中心接入；3）限制車輛行駛范圍和行駛時間，監(jiān)控車輛的行駛軌跡等。車載終端的這些功能使其特點適用于企業(yè)、政府的管理、調度等領域。

2 基于GPS—GPRS的系統(tǒng)設計

GPS車載移動終端采用在世界上領先的GPS全球衛(wèi)星定位技術、無線通信技術以及計算機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理技術，可為用戶提供多方位的、全時域空間定位信息，目前廣泛應用于車輛防盜防偷、車載電話、車輛保險跟蹤，遠程遙控遙測、危險品車輛以及運營車輛監(jiān)控監(jiān)管、車輛故障管理等。

如何把定位數(shù)據(jù)信息發(fā)送給企業(yè)平臺、政府平臺一直是比較難解決的問題之一。以往的交通監(jiān)控系統(tǒng)多采用集群通信系統(tǒng)實現(xiàn)車載終端與各級平臺的通訊，但是這種系統(tǒng)具有覆蓋局域小、安裝維護費用高、技術復雜等缺點。近兩年隨著GPRS網(wǎng)絡在中國的普及，車載終端通過GPRS網(wǎng)絡與企業(yè)平臺、政府平臺通訊的方式已經(jīng)成為最受歡迎的方式。GPRS通用分組數(shù)據(jù)業(yè)務，是一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，它的意義就是在GSM網(wǎng)絡中引入分組交換能力，同時將速率提高到100kbps以上[4]。使用GPRS模塊可以方便地利用GPRS網(wǎng)絡進行通訊，主要有以下原因：1）GPRS利用分組技術，傳輸高速數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)和信令，使網(wǎng)絡資源和無線頻譜資源得到更好的利用；2）定義了新的GPRS無線信道，并更加靈活地分配這些信道；3）支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互連互通；4）網(wǎng)絡接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接；5）既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸[5]。其具體系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 The structure diagram of road transport vehicle satellite positioning system

首先車載終端通過北斗衛(wèi)星定位獲得自己在全國的坐標信息；然后以GPRS數(shù)據(jù)通訊方式把定位數(shù)據(jù)信息按指定的時間間隔發(fā)送到各級平臺，同時車輛運載的狀態(tài)信息、行駛記錄信息、以及報警信息也通過GPRS網(wǎng)絡傳送給各級平臺；各級平臺的控制、監(jiān)控、實時導航等也是通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到車載終端中，車載終端與各級平臺的通訊符合專用的命令協(xié)議和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，本命令協(xié)議采用TCP協(xié)議，數(shù)據(jù)交換協(xié)議采用JT/T 809-2011標準[6]；最后，省部級平臺還可以通過VPN專用網(wǎng)技術或其他安全聯(lián)網(wǎng)技術連接到下級平臺，以控制、查看車載終端的狀態(tài)信息。

3 車載終端硬件系統(tǒng)的設計

硬件基本設計思想是，整個硬件系統(tǒng)按照實現(xiàn)功能和硬件結構可以劃分成2個硬件模塊：主控板模塊和存儲模塊。主控板模塊主要有微處理器、GPRS模塊、GPS模塊、電源模塊等部分組成，完成系統(tǒng)的主控功能，如視音頻采集、處理和顯示、網(wǎng)絡控制、報警控制、衛(wèi)星定位、行駛記錄以及USB控制等功能；存儲板模塊主要實存儲模塊構成，實現(xiàn)存儲介質安裝和存儲介質的替換。其硬件系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 車載終端硬件系統(tǒng)結構圖Fig.2 The hardware structure diagram of vehicle terminal

3.1 微處理器

主控微處理器采用的華邦公司的W78E516單片機；利用16C554AIPN芯片，將單片機的低8位數(shù)據(jù)總線擴展為4個串口；其中GPRS模塊與A口相連，B口和C口分別通過RS-232電平轉化芯片后，再通過5566插座控制外部的其他設備，如車載LED顯示屏、攝像頭等；而GPS模塊直接與單片機的一個串口相連，而單片機的另一個串口則通過RS-232電平轉換芯片后，與存儲模塊相連。在硬件系統(tǒng)中，主控微處理器負責接收用戶的按鈕輸入信號和衛(wèi)星定位輸入信號；對衛(wèi)星定位信號進行計算，以獲得當前的經(jīng)、緯度坐標；接收并解析各級平臺發(fā)送的短消息命令，按命令進行上傳定位坐標、報警等操作；另外還負責把車輛的運行狀態(tài)及平臺發(fā)布的命令信息通過液晶屏顯示出來。

3.2 GPRS模塊

本車載終端選用的 GPRS模塊是 SIM300，SIM300是SIMCOM推出的GSM/GPRS三頻模塊，主要為語音傳輸、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線接口。集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM/GPRS的無線應用產品。外部系統(tǒng)連接器主要提供外部電源、RS-232串口、SIM接口和音頻接口。支持GSM07.07和GSM07.05增強型AT命令集。它內嵌了TCP/IP協(xié)議棧，并簡化了接口設計。屏蔽了GSM模塊的復雜接口方式和接口協(xié)議棧，取而代之的是通用的232接口和簡單的AT命令交互界面。它同主控制器以RS-232串行口的方式連接，并采用一定的波特率進行通信。主控制器可以通過AT命令控制GPRS模塊使其發(fā)送短消息，使用GPRS傳送數(shù)據(jù)或進行語音通話。

3.3 GPS模塊

GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星信號，并計算出車載終端所在的位置。它由變頻器、信號通道、微處理器和存儲單元等組成。GPS模塊通過串行口向主控制器發(fā)送定位坐標；主控制器也可以向GPS模塊發(fā)送設置命令，以控制GPS模塊的狀態(tài)和工作方式。GPS模塊需要專門的GPS天線接受GPS衛(wèi)星信號才能進行準確定位。在車載GPS智能系統(tǒng)中把天線放置在車頂可以有比較好的定位效果。現(xiàn)選擇REB3310。該模塊具有低功耗、抗干擾能力強、扛遮擋能力強等特點，適用范圍包括汽車定位導航、地圖制作等。

3.4 電源模塊

電源模塊用于給系統(tǒng)中的其他模塊供電。終端系統(tǒng)需要電源模塊提供3路電壓，分別為：3.6 V、5 V、3.3 V。其中，GPRS模塊在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時需要的電流比較大（約為2 A），選用了National公司的LM2576電源芯片。它是一種PWM方式調制的高功率穩(wěn)壓芯片，可以提供高達3.5 A的尖鋒電流。電源模塊中還設計了后備電池系統(tǒng)，在車載電源不工作或被破壞時給車載GPS終端供電。在車載電源工作正常的情況下，后備電池會自動被充電。

4 車載終端軟件系統(tǒng)的設計

基本設計思想是，采用面向對象語言C++開發(fā)，基于模塊化模型，主要功能有系統(tǒng)初始化、建立GPRS連接、定位數(shù)據(jù)接收、車輛采集信息處理、接收各級平臺下發(fā)的信息和向各級平臺匯報信息等。車載終端軟件系統(tǒng)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(tǒng)結構[7-9]，其總體結構圖如圖3所示。其中，（a）為總體流程框圖，（b）為GPRS報文處理部分流程圖，（c）為位置報文處理部分流程圖。終端可以處于8種狀態(tài)：空閑、上傳定位信息、定時上傳定位信息、撥號、通話中、網(wǎng)絡無法連通、衛(wèi)星無法定位、報警。狀態(tài)間的切換主要由各級平臺通過發(fā)送消息的命令報文控制。

圖3 車載終端軟件系統(tǒng)的總體結構圖Fig.3 The software block diagram of the vehicle terminal

首先介紹程序響應的中斷系統(tǒng)，由于微處理器與各個模塊之間的通訊是不定期、不定長的通訊，為了保證不出現(xiàn)阻塞情況，系統(tǒng)采用中斷接收方式：把接收到的所有數(shù)據(jù)在中斷過程中放入對應的循環(huán)緩沖區(qū)之中，然后由主程序解析接收到的串口數(shù)據(jù)；同時微處理器還要響應另外兩個中斷：一個是報警按鈕被按下時觸發(fā)的中斷；另一個是定時中斷，它每20 ms觸發(fā)一次，用于檢測GPRS模塊的超時應答。程序工作時先進行初始化工作，然后進入主控制循環(huán)。在主控制循環(huán)中首先檢查GPRS數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是否有完整的GPRS數(shù)據(jù)包，如果有則進行解析，并根據(jù)協(xié)議中的控制命令改變終端所處的狀態(tài)。接著判斷位置信息數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是否有完整的位置數(shù)據(jù)包，如果有則取出并解析出當前的全球定位坐標，以供上傳坐標時使用。最后根據(jù)終端所處的狀態(tài)對終端進行操作，例如：終端處于上傳定位消息的狀態(tài)，則控制GPRS模塊上傳定位的消息；終端處于自動報警的狀態(tài)，則控制GPRS模塊上傳報警的消息。

5 結束語

實驗證明，“兩客一危”GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端可以較好地完成終端定位、與各級平臺的通訊、車輛狀態(tài)信息上傳、報警等功能，并且具有成本較低、系統(tǒng)覆蓋面廣、使用維護費用低、通訊可靠、永遠在線等特點。而且是設計成一個可以提供實時，準確，交互的信息系統(tǒng)，基本上實現(xiàn)了無盲區(qū)的定位，保障性的定位的效果。

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