車輛跟蹤及監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

東北大學(xué)計(jì)算中心（網(wǎng)絡(luò)中心） 林天亮

東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 別小妹

車輛跟蹤及監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

東北大學(xué)計(jì)算中心（網(wǎng)絡(luò)中心） 林天亮

東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 別小妹

本文提出了一種SMS/GPRS自主切換技術(shù)的GPS車輛跟蹤及監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由車載前端、數(shù)據(jù)通信服務(wù)器、監(jiān)控終端、跟蹤終端組成。車載前端以GPRS方式向終端發(fā)送數(shù)據(jù)，并采用C/S模型作為GPRS通信方式取代監(jiān)控中心直接接收數(shù)據(jù)的方式，將監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)通信服務(wù)器分離，使得系統(tǒng)具有更大的擴(kuò)展空間和良好的可移植性；以SMS短消息方式接收終端的配置信息和命令，避開了防火墻的問題，使得車載前端的使用更靈活，并可在GPRS網(wǎng)絡(luò)中斷的時(shí)候代替GPRS作為車載前端和監(jiān)控中心的通信鏈路，提高了系統(tǒng)的健壯性。本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行與測(cè)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)；短信息服務(wù)；微控制器；服務(wù)器

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，車輛日益增多，車輛的安全管理和合理調(diào)度己成為一個(gè)重要的社會(huì)性問題［1］。目前，在公安、消防、交通、金融、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域，對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、跟蹤、調(diào)度指揮、導(dǎo)航定位、報(bào)警處理等需求與日俱增。

近年來(lái)由于全球定位系統(tǒng)［2］技術(shù)的發(fā)展，使得移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位成為可能，同時(shí)無(wú)線通信技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)展，使我們對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度成為可能。基于SMS/GPRS自主切換技術(shù)［3］的GPS車輛跟蹤及監(jiān)控管理系統(tǒng)就是通過對(duì)GPS定位［4］技術(shù)、GIS技術(shù)［5］、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)［6］、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的位置狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤、報(bào)警處理、監(jiān)控管理等功能。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)單路跟蹤和多路監(jiān)控的同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、更大的擴(kuò)展空間和良好的可移植性等特點(diǎn)。

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由車載前端、通信服務(wù)器、監(jiān)控終端和跟蹤終端四部分組成。車載前端包括GPS信息采集部分、GSM/GPRS傳輸部分和控制部分［7］，主要用于接收GPS信號(hào)、解析并提取有用信息備用，接收、回應(yīng)監(jiān)控/跟蹤終端命令和向監(jiān)控/跟蹤終端發(fā)送相關(guān)信息。

通信服務(wù)器用于系統(tǒng)的GPRS通信方式下，包括硬件和軟件，硬件為一臺(tái)具有公網(wǎng)IP地址的電腦，軟件即為服務(wù)器程序［8］。服務(wù)器負(fù)責(zé)建立車載前端和各個(gè)終端的信息交互通路，以及GPRS通信方式下命令的傳遞和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

監(jiān)控終端也包括硬件和軟件部分，軟件為監(jiān)控程序，硬件為一臺(tái)能接入internet的電腦，接入方式可以靈活選擇：公網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)，固定IP、動(dòng)態(tài)IP，GPRS等均能適用于本系統(tǒng)。監(jiān)控終端完成對(duì)車載前端的各種配置、命令的下達(dá)，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、對(duì)車輛的監(jiān)控和軌跡回放等工作。

跟蹤終端硬件為一臺(tái)帶有GPRS模塊的筆記本電腦，軟件為跟蹤程序。跟蹤終端用于有跟蹤需求的時(shí)候，可以與監(jiān)控終端同時(shí)控制車載前端，同一時(shí)刻完成對(duì)某一選定車載前端的實(shí)時(shí)跟蹤。綜上所述，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 車載前端硬件組成框圖

2. 車載前端硬件的設(shè)計(jì)

車載前端在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要地位，它承擔(dān)著采集GPS信息并且向監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)等關(guān)鍵任務(wù)，車載前端的穩(wěn)定性、可靠性和低功耗是設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。車載前端的硬件電路是一個(gè)以微控制器為核心，從功能需求出發(fā)加以必要的擴(kuò)展構(gòu)成的一個(gè)系統(tǒng)電路，集成了GPS接收機(jī)模塊和GSM/GPRS通信模塊兩大模塊，分別實(shí)現(xiàn)GPS信息的采集和數(shù)據(jù)傳輸功能，這兩大模塊由微控制器統(tǒng)一控制，協(xié)同工作，主要完成衛(wèi)星信號(hào)的采集與處理，短消息的接收與發(fā)送，基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｇ岸说挠布M成如圖2所示。

2.1微控制器部分

微控制器是系統(tǒng)的事務(wù)處理核心：完成對(duì)GSM/GPRS通信模塊的初始化設(shè)置以及接收終端的命令并根據(jù)命令處理相應(yīng)的事務(wù)，完成對(duì)GPS信號(hào)的接收、解析和有用信息的提取，以及根據(jù)終端要求發(fā)送定位數(shù)據(jù)；此外，微控制器還控制各種事務(wù)的處理順序，根據(jù)需要對(duì)各個(gè)模塊設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)別。微控制器還包括了一些I/ O的功能，預(yù)留傳感器信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)等的輸入，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)觸發(fā)，以及對(duì)外的輸出控制。本系統(tǒng)采用的微控制器是Philips的P89LPC932A1，主要考慮的是它具有8kB Flash以及256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和512字節(jié)附加片內(nèi)RAM，可以滿足軟件代碼存儲(chǔ)空間的要求；另一方面，此款單片機(jī)具有512字節(jié)片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)EEPROM存儲(chǔ)區(qū)，可用來(lái)存放設(shè)置參數(shù)等，還具有可配置的片內(nèi)振蕩器，大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)；4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)使各項(xiàng)事務(wù)處理有條不紊；此外，它還具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2GPS信息采集部分

GPS模塊部分主要通過GPS接收機(jī)模塊（TFAG-30LP）獲得經(jīng)緯度、時(shí)間、速度、方向等定位信息，然后通過串口傳到單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)GPS信息的獲取。TFAG-30LP模塊提供了兩個(gè)輸出TTL電平的全雙工UART接口，沒有采用流量控制。本系統(tǒng)中只使用UART口的一根數(shù)據(jù)線TXA與微控制器相連即可取得GPS信息。GPS 模塊的所有 GND腳都妥善接地，VCC 連接在 3.3V 電源上；由于車載前端有電池供電，故后備電池接口也連接在VCC上。GPS接口電路原理如圖3所示。

圖3 GPS接口電路原理圖

特別需要注意的是，由于GPS模塊直接輸出TTL電平給微控制器，GPS模塊和微控制器的GND端一定要可靠的連接在一起，否則微控制器接收到GPS信號(hào)后將失去判斷TTL電平信號(hào)高低的標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤，甚至不能正確進(jìn)入接收中斷。

2.3GSM/GPRS模塊通信部分

本系統(tǒng)車載前端微控制器與GSM/GPRS通信模塊的通信是通過通用異步串行接口（UART）實(shí)現(xiàn)的。GSM/GPRS通信模塊使用的是華為的GTM900 GSM/GPRS無(wú)線模塊，車載前端通過此模塊將車輛的定位信息發(fā)送至終端，同時(shí)也需通過它接收終端發(fā)來(lái)的命令。硬件設(shè)計(jì)上值得提出的是其與微控制器之間是通過串口通信的，但GTM900的串行口是RS232電平，要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后才能實(shí)現(xiàn)與微控制器接口。

2.4系統(tǒng)電源部分

由于系統(tǒng)中使用了5伏和3.3伏兩種電平標(biāo)準(zhǔn)的芯片，在硬件設(shè)計(jì)中必須要考慮的是電源到各個(gè)芯片的電平問題，微控制器和GPS模塊的標(biāo)準(zhǔn)操作電壓都是3.3伏，GSM/GPRS通信模塊和串口轉(zhuǎn)換部分的電平都是5伏；而輸入到車載前端的車載電源電壓為12V，因此在電源部分需要做電壓轉(zhuǎn)換工作。另外，在電源部分還進(jìn)行了有效的濾波和去藕。這里用到了LM317和LM1117兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片，LM317為第一級(jí)電源轉(zhuǎn)換電路的核心芯片，將12V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，LM1117為第二級(jí)電源轉(zhuǎn)換電路的核心芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓。

2.5預(yù)留接口部分

本系統(tǒng)為今后的擴(kuò)展和升級(jí)預(yù)留了豐富的外部接口，其中包括車載前端的車載導(dǎo)航接口和報(bào)警觸發(fā)、開關(guān)量/模擬量信號(hào)等的輸入以及對(duì)外的輸出控制接口。其中，對(duì)車載導(dǎo)航預(yù)留的接口直接由TFAG-30LP模塊的TXA和RXA引出，經(jīng)MAX232芯片進(jìn)行TTL電平到232電平的轉(zhuǎn)換后，送給外部接口DB9。

其他接口如報(bào)警觸發(fā)、開關(guān)量/模擬量信號(hào)等的輸入以及對(duì)外的輸出控制等，均由微控制器的I/O口引出，微控制器上沒有特殊定義或使用的I/O引腳均配置為準(zhǔn)雙向模式留用。

圖4 服務(wù)器數(shù)據(jù)接收程序流程

3. 數(shù)據(jù)通信服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

通信服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控/跟蹤終端與車載前端的數(shù)據(jù)通信的核心部件［9］，負(fù)責(zé)監(jiān)聽并接收車載前端發(fā)送來(lái)的信息，然后轉(zhuǎn)發(fā)給特定的終端，是整個(gè)車載監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信中心，它在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著數(shù)據(jù)交換機(jī)的角色。在本系統(tǒng)中，為了獲得高的服務(wù)性能以及增加整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控容量，通信服務(wù)器采取數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)，不作處理的策略，類似一個(gè)服務(wù)代理（Service Proxy）。

本系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器的通信方式，通信服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)為面向連接（TCP）的套接字（socket）通信的服務(wù)器端程序，負(fù)責(zé)監(jiān)聽并接收來(lái)自客戶機(jī)（包括車載前端和監(jiān)控/跟蹤終端）的socket連接；建立連接以后，服務(wù)器程序在接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)分析各連接的ID，并根據(jù)該連接的狀態(tài)采取相應(yīng)的處理：將來(lái)自車載前端和監(jiān)控/跟蹤終端的連接分別放入Sender和Receiver兩個(gè)鏈表，或者將來(lái)自Sender鏈表中連接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Receiver鏈表中綁定的連接。服務(wù)器數(shù)據(jù)接收程序流程如圖4所示。

4. 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試

4.1各單元模塊調(diào)試

（1）GPS信息采集與分析模塊調(diào)試

在GPS信息采集與分析部分的調(diào)試中，主要是前端硬件、模擬串口接收GPS信息和解析GPS信息軟件的調(diào)試。首先對(duì)GPS接收機(jī)模塊進(jìn)行調(diào)試，將模塊接入電路板之后，通過預(yù)留的車載導(dǎo)航接口直接輸出GPS信息，在PC機(jī)上通過串口調(diào)試助手進(jìn)行接收。GPS接收機(jī)模塊調(diào)試成功后，將微控制器接入電路，對(duì)微控制器外部中斷1模擬串口接收GPS信息功能進(jìn)行調(diào)試。這部分調(diào)試的重點(diǎn)在于模擬串口時(shí)序的控制和長(zhǎng)時(shí)間接收數(shù)據(jù)可靠性的測(cè)試。為了檢驗(yàn)GPS信息接收的準(zhǔn)確性，調(diào)試過程中采用的是將數(shù)據(jù)讀出后直接通過串口輸出到PC上顯示出來(lái)的方法。解析GPS信息軟件的調(diào)試主要是對(duì)微控制器軟件的調(diào)試，由于接收到的GPS信息比較雜亂，需要對(duì)其進(jìn)行關(guān)鍵字的過濾，數(shù)據(jù)解析的準(zhǔn)確性和效率是調(diào)試的重點(diǎn)，在調(diào)試中解決了由于GPS信息中方向和速度數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不定引起的解析錯(cuò)誤等問題。

（2）GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊調(diào)試

GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的調(diào)試主要是對(duì)模塊AT命令的調(diào)試，包括用Windows超級(jí)終端對(duì)GPRS模塊進(jìn)行AT命令測(cè)試，模塊對(duì)AT命令的響應(yīng)，收發(fā)短信模式， TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿臏y(cè)試。調(diào)試中，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)將短信直接轉(zhuǎn)發(fā)到TE的方式實(shí)時(shí)性最高，最為便捷，但是可靠性不高，經(jīng)常出現(xiàn)短信丟失的狀況。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和比較后，本系統(tǒng)最終采用了短信息先儲(chǔ)存后通知TE的方式，在微控制器程序設(shè)計(jì)中通過即時(shí)響應(yīng)串口中斷接收到短信到達(dá)通知后以指定序號(hào)的方式讀取短信內(nèi)容，既保證了短信的可靠接收，又具有較高的實(shí)時(shí)性。

4.2系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是用來(lái)確保系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間彼此能夠正確地相互作用和傳遞數(shù)據(jù)，是在單元調(diào)試的基礎(chǔ)上，按照數(shù)據(jù)流向進(jìn)行的整體功能的調(diào)試。由于各單元模塊調(diào)試過程中，各個(gè)模塊單獨(dú)運(yùn)行的性能已基本穩(wěn)定， 聯(lián)調(diào)過程中主要針對(duì)各個(gè)模塊之間的銜接會(huì)出現(xiàn)的問題和模塊之間的影響加以測(cè)試和處理。

本系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間的接口設(shè)計(jì)大部分都是采用通用標(biāo)準(zhǔn)，如微控制器與GSM/GPRS通信模塊之間的數(shù)據(jù)接口采用的是UART接口，服務(wù)器與前端/終端之間的通信方式是標(biāo)準(zhǔn)socket通信等，因此系統(tǒng)中不存在各部分之間接口銜接的問題。在聯(lián)調(diào)過程中主要發(fā)現(xiàn)并解決了在GPRS長(zhǎng)連接狀態(tài)下， GPRS網(wǎng)絡(luò)連接長(zhǎng)時(shí)間沒有數(shù)據(jù)通訊時(shí)，通訊鏈路被自動(dòng)“掛起”的問題，采用通信服務(wù)器定時(shí)向客戶機(jī)（包括車載前端和監(jiān)控/跟蹤終端）發(fā)送心跳數(shù)據(jù)的方法來(lái)保持網(wǎng)絡(luò)連接，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5. 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用SMS和GPRS相結(jié)合的通信方式，充分發(fā)揮了GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，SMS使用靈活、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸沒有網(wǎng)絡(luò)限制的特點(diǎn)，以及GPRS無(wú)縫連接、傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線的優(yōu)勢(shì)，不僅解決了在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)非常忙的情況下容易發(fā)生的短消息堵塞問題，同時(shí)又避開了單一GPRS方式下的防火墻、固定IP地址的需求等問題，使得整個(gè)系統(tǒng)的通信成本大大降低，同時(shí)實(shí)時(shí)性和可靠性也得到了較大的提高。系統(tǒng)經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了用戶提出的各種性能指標(biāo)和特殊要求，通過了用戶驗(yàn)收。

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The Design and Implement of Vehicle Tracking and monitoring Management System

Lin tian-liang1， Bie xiao-mei2

（1.Computing & Network Center，Northeastern University， Shenyang110819， China）
（2.College of Information Science and Engineering， Northeastern University， Shenyang110819， China）

This artical proposes a SMS/GPRS autonomous switching technology of GPS vehicle tracking and monitoring management system. This system consisted by： the front of vehicle， the server of data communication， terminal of monitoring， and the track of terminal. The front of vehicle send data to destination by the of GPRS，and use C/S model as GPRS communication instead of the center monitoring receive data directly. In this way，terminal of monitoring has separated from the server of data communication， the system has a large space to extension and has better portability； By using SMS short massage to receive the configuration information and command of terminal， it avoids the problem of firewall， and make the use of vehicle front more flexible. It also can replace the GPRS network as the center of the car front and monitoring when GPRS communication link has interrupted， this function improved the robustness of the system. Through actual operation and test， this system meet the design requirements.

GPS；GPRS；SMS；Micro controller unit；Data server

林天亮（1967—），男，遼寧大連人，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11273001）。