基于GPS和GPRS的班車定位系統設計

劉濤　肖磊

【摘 要】為了解決一些單位員工在上下班路上等待班車，因不能及時獲取班車當前的運行位置，造成時間浪費或者錯過班車等問題，設計了一種基于GPS和GPRS技術的班車定位系統，結合手機電子地圖，來實現車輛的實時定位，用戶可以通過手機地圖實時查看車輛的位置信息。

【關鍵詞】車輛；GPS；電子地圖；定位

【Abstract】Many employees often waste a lot of time or miss the bus when they waiting for the vehicle， because they cannot access to the bus position timely. This paper designed a system based on GPS and GPRS technology， combined with the mobile phone map， to achieve real-time positioning of the vehicle， the user can view real-time vehicle location information through the mobile phone map.

【Key words】Vehicle； GPS； Electronic map； Positioning

0 引言

很多學校和企事業單位都有自己的班車，會根據員工的居住地點，設置不同的線路和站點。比如，作者所在的單位，有早、中、晚三班班車，早班和晚班班車又分為三條不同的線路，每條線路有兩輛班車，設置6至10個站點。在道路擁堵及極端天氣情況下，經常會發生班車不能按照預定時間到達站點的現象。而欲乘坐班車的人員可能并不知道班車的運行情況，比如，在預定的時刻，班車未按時出現，這種情況究竟是班車還未到達，還是已經開過站點了，如果班車未到距離本站的距離還有多遠，這種情況往往會造成乘車人員的焦急。如果能夠實時采集班車的運行位置，并通過手機地圖進行顯示，那么用戶就可以方便的查看班車的運行狀態，獲取班車的位置信息，以便決定是否繼續等待，還是選擇乘坐其他交通工具。本文設計了一種基于單片機和GPS定位技術的車載終端，實時獲取車輛的經緯度信息，并通過GPRS網絡將數據發送到服務器端，服務器監控程序接收數據并處理后，將數據存放到數據庫。用戶可以通過手機APP訪問服務器，系統會根據不同線路不同班車，在電子地圖上實時顯示車輛當前的運行位置。

1 系統整體架構

系統的架構主要分為三個部分：車載終端、服務器監控程序、手機客戶端，如圖1所示。

車載終端放置在班車上，上面帶有GPS模塊，用來接收GPS衛星信號，獲取車輛的經緯度信息，并通過GPRS網絡傳送至Internet網絡，最終傳送至服務器端[1]。服務器監控程序接收到車輛的數據后，會進行坐標的變換，轉換成百度地圖坐標，并存儲到數據庫中。手機客戶端需要安裝一個APP，可以選擇不同的班車路線，定時向服務器發送查詢請求，服務器會返回當前的車輛經緯度，并在電子地圖上實時標注出來。

2 車載終端

2.1 硬件設計

車載終端主要由單片機、GPRS模塊、GPS模塊、串口模塊、電源模塊、LCD顯示屏組成[1]。

其中，單片機采用8051系列STC12C5A60S2單片機，是整個終端設備的控制中心，它有兩個全雙工串行通信接口（UART1、UART2）。GPRS模塊采用SIM900B，它是一款新型無線模塊，可實現語音、SMS、數據的傳輸，并且功耗很低[2]。SIM900B與單片機是通過UART1串口通信的。GPS模塊采用瑞士ublox NEO模塊，定位精度可以達到2.5m，它與單片機通過UART2串口通信。RS-232串口主要用來與PC通信，實現單片機程序的下載，GPS模塊采集的數據也可以通過該串口直接發送到上位機。LCD液晶采用 NOKIA5110，可以用來顯示車輛的經緯度、速率、溫度等信息。車載終端的工作原理是：GPS模塊采集車輛的經緯度信息，通過UART2串口傳送給單片機，單片機通過UART1串口發送給SIM900B模塊，SIM900B模塊采用GPRS方式發送到遠端的服務器監控程序。

2.2 GPS信號處理

系統上電后，GPS模塊每隔固定的周期就會返回以字符‘$開頭的一定格式的數據[3]，如$GPRMC，022451.00，A，3658.87945，N，11710.19702，

E，0.768，316.57，131115，A*63，其中GPRMC代表推薦的最小定位信息。GPRMC數據格式為：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh。其中：<1>代表時間；<2>代表定位狀態，如果為A，則表示定位有效，數據可以使用，如果為V，表示定位無效，數據舍棄；<3>代表緯度；<4>代表緯度半球；<5>代表經度；<6>代表經度半球；<7>代表地面速率[3]。

其中，經緯度為度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）格式，在實際計算中需要轉換成度分秒的格式。如接收的GPS信號中緯度是：3658.87698，計算步驟如下：

1）計算度

3658.87698/100=36.5887698

可以得到36度

2）計算分

3658.87698-36*100=58.87698

可以得到58分

3）計算秒

58.87698-58=0.87698

0.87698*60=52.6188

可以得到52秒

所以緯度是：36度58分52秒。

2.3 GPRS數據發送

為了區分不同的車載終端，需要為每個終端增加標識符，并與經緯度信息、速率等一起進行打包，生成一個新的字符串，通過GPRS模塊發送到服務器監控中心。封裝后的數據格式為：CarID，1，Lat：36.588640， Lon：117.102200，Spd：45.863950，Y。其中，CarID代表車輛的標識符，每個終端是唯一的，Lat代表緯度，Lon代表經度，Spd代表速率，Y代表字符串結束符。

GPRS模塊與服務器之間的通信協議采用UDP協議。TCP是一種面向連接的協議，可以提供可靠的數據傳輸，但是以增加網絡資源消耗作為代價，UDP是面向非連接的協議，使用UDP連接，當網絡擁塞時，會丟棄部分數據包，但可以改善接收數據滯后的情況。班車定位系統對數據的實時性要求很高，超過一定時間的數據就沒有參考價值了[4]，因此我們采用UDP協議。

3 服務器監控程序

3.1 主要功能

服務端主要實現三個功能：（1）與不同車載終端的GPRS模塊建立UDP連接，實時接收車輛的經緯度信息，并進行解析、坐標轉換、存儲，如圖3所示；（2）響應手機客戶端查詢請求，定時向客戶端返回班車經緯度信息；（3）存儲車輛、班車路線等基本信息。

3.2 系統設計

服務器監控程序采用java語言實現，采用Struts+Spring+Ibatis的框架，使用MySQL數據庫。

為了便于系統維護，將大部分處理邏輯放到服務器端實現，手機APP界面上的一些菜單數據也放到數據庫中管理，這樣如果APP界面有改動，比如班車路線、發車時間等發生變化，就不需要修改客戶端程序，只需要修改服務器端程序，或修改數據庫中的數據就可以，減少用戶更新客戶端的次數。

3.3 坐標轉換

GPS模塊采集的經緯度屬于地球坐標，即WGS-84坐標，而我們國家出于安全考慮，將地球坐標重新進行加密，形成火星坐標。由于我們采用的是百度地圖，需要在火星坐標的基礎上進行二次加密，形成百度地圖上的坐標。坐標轉換順序如圖4所示。

4 手機客戶端

手機端應用程序（APP）基于Android系統開發，整個系統的界面分為三部分：登錄界面、線路選擇界面和地圖定位界面。登錄界面如圖5所示。

線路選擇界面如圖6所示。用戶登錄手機APP后可以選擇查詢的路線，在地圖定位界面會用圖標標出各個站點，繪制出該路線車輛的運行軌跡，及車輛當前的位置，并定時進行更新，用戶可以很方便地查看該線路班車是否到達本站等信息，如圖7所示。

5 系統測試結果

通過對不同線路、不同時間的班車進行真實測試，定位誤差基本在3m以內，完全可以達到系統的需求。

6 結束語

該系統的設計與實現，可以極大的解決各企事業單位、學校等人員乘坐班車的問題，方便乘客及時查詢車輛的實時位置，減少不必要的等待，節省花費在上班路上的時間，提升企業的人為關懷。后期系統還可以擴展更多的功能，比如車內溫濕度的監測、車輛到達站點的時間預估、車內視頻監控、歷史軌跡回放等。

【參考文獻】

[1]劉爽，賈傳熒，賈銀山，馬文耀.基于GPS/GSM和電子地圖的車輛定位系統設計與實現[J].遼寧石油化工大學學報，2005，25（1）：82-85.

[2]李濤，馬殷元，楊東.基于STM32的GPRS遠程監測終端設計[J].電子世界，2012.06：126-127.

[3]郭濤，郝亮，曹景勝，王群，于繼開.基于GPS的汽車電動助力轉向模擬系統設計[J].汽車工程師，2014，12：34-37.

[4]郭龍.基于GPS/GPRS車輛遠程監控系統車載裝置的設計[D].南京：東南大學，2007.

[責任編輯：王楠]