車輛監(jiān)控系統(tǒng)中車載GPS GSM雙定位終端的設計

摘要：隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，車輛的跟蹤監(jiān)控在物流等行業(yè)顯得越來越重要。車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，車裁定位終端多采用GPS技術進行定位，而GPS定位雖然定位精度高但存在盲點較多的缺陷。而基于GSM網(wǎng)絡的位置服務恰恰能彌補GPS定位盲點較多的缺點，從而可以有效地克服GPS定位盲點多的缺點，故該定位終端集成了GPS和GSM網(wǎng)絡兩種定位方法的優(yōu)點。實驗結果表明，該定位終端可達到準確、實時、全天候、無盲點定位，大大提高了定位性能。
關鍵詞：GPS定位；GSM定位；定位終端；STK卡

l 引 言
??? 隨著我國城市建設規(guī)模的擴大，車輛日益增多，在交通運輸?shù)慕?jīng)營管理、合理調(diào)度、安全管理等方面GPS定位監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣為應用。GPS定位技術的應用給車輛、輪船等交通工具的導航定位提供了具體的實時的定位能力。通過車載GPS接收機，使駕駛員能夠隨時知道自己的具體位置。通過短消息形式將GPS定位信息發(fā)送給監(jiān)控指揮中心，監(jiān)控指揮中心便可將定位信息與電子地圖匹配從而及時掌握各車輛的具體位置。但是GPS衛(wèi)星定位時GPS天線要求對天空要有漏斗型的15°凈空視角且受云層的影響大。對于交通運輸?shù)刃袠I(yè)GPS跟蹤導航來說，需要實時對車輛進行跟蹤，故當GPS衛(wèi)星信號由于建筑物及樹木等的遮擋而使GPS無法進行正常的導航跟蹤和定位。
??? 而基于GSM網(wǎng)絡的位置服務恰恰能彌補GPS定位的這一缺點，并且GSM網(wǎng)絡覆蓋廣無盲點且能將位置信息傳送到遠端。基于上述考慮，本文提出一種把GPS和GSM網(wǎng)絡定位集成在一起的雙定位終端，該終端結合了GPS和GSM網(wǎng)絡定位的優(yōu)點，克服了GPS定位盲點較多、GSM網(wǎng)絡定位精度較低的缺點，性能明顯提高。

2 系統(tǒng)概述
2．1 定位原理
??? 全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可為用戶提供一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)，可提供實時的三維位置、三維速度和高精度的時間信息。GPS接收機通過接收其視線內(nèi)的任意幾顆衛(wèi)星播發(fā)的導航信息，換算出自身的位置和時間信息。
??? 中國移動公司和中國聯(lián)通公司都開通了位置服務功能。只要選用支持STK(SIM TOOL KIT)的SIM卡，并且當?shù)鼐W(wǎng)絡開通了位置服務，即可通過STK命令得到位置信息。STK命令是一組開發(fā)增值業(yè)務的命令，一種小型編程語言，它允許基于智能卡的用戶身份識別模塊SIM運行自己的應用軟件。STK卡就是帶有STK功能的SIM卡。STK命令會因GSM模塊生產(chǎn)廠家的不同而稍有差別，具體可以參考廠家的《STK命令用戶手冊》。
??? GSM定位方法與GPS定位類似，在GSM網(wǎng)絡中各個移動的基站位置已知，根據(jù)定位終端和各個基站之間通信時信號強弱等參數(shù)來確定定位終端到基站的距離，根據(jù)三個基站的位置和基站到定位終端的距離即可得定位終端的位置坐標。
2．2 監(jiān)控系統(tǒng)簡介
??? 定位系統(tǒng)由監(jiān)控中心和車載定位終端兩部分構成，車載定位終端中GSM模塊不但與監(jiān)控中心通過短消息進行通信之外還要通過sTK從移動運營商獲得位置服務的信息。定位終端以短消息的形式將GPS位置信息或從GSM網(wǎng)絡獲得的定位信息發(fā)送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心集成GIS(Geographic Information System)地圖，依靠接收的短消息中的定位信息來完成終端與電子地圖的匹配及一些導航的指令等。監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

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3 車載雙定位終端硬件的設計
3．1 車載終端硬件組成
??? 車載定位終端主要包括GSM模塊、電源模塊、語音模塊、LCD顯示模塊、GPS一OEM板。定位終端采用單片機作為控制芯片。GSM模塊則采用Siemens的TC39I GSM引擎模塊，在車載終端中TC39I GSM引擎模塊不但通過GSM網(wǎng)絡獲得定位信息，還要通過短消息的形式與監(jiān)控中心進行通信。GPS一OEM板采用ASHTECH ACl2OEM板，該OEM板是美國THALES公司生產(chǎn)的功能最全、尺寸最小、功耗最低的專業(yè)級OEM板。ACl2不僅兼具GPS導航授時，還支持遠端差分操作并且具有跟蹤星基增強系統(tǒng)，以及精確的載波相位測量性能。GPS—OEM板是將GPS接收機的主要部件做成大規(guī)模集成芯片，并集成在一塊電路板上。其結構如圖2所示。

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3．2 GPS一OEM板的工作原理
??? GPS一OEM板主要由變頻器、標頻器、信號通道、微處理器和存儲單元等組成。在完成初始自檢后，GPS—OEM板將自動接收來自天線的GPS射頻信號，在低噪聲變頻器中變頻，由L頻段的射頻信號變成低頻信號，再經(jīng)過信號通道測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送出的導航電文，最后由中央處理器解算出被測點的三維坐標、速度、時間等信息，最后經(jīng)由I／O口輸出串行數(shù)據(jù)。
??? GPS一OEM板的輸入輸出均遵循串行通信協(xié)議，都能輸出符合NMEA_0183標準的ASCII碼形式的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)結構為8個數(shù)據(jù)位，1個起始位，1個停止位，無奇偶校驗位。用戶可以通過輸入語句對GPS—OEM板進行初始化，設置數(shù)據(jù)格式、波特率以及輸出語句種類等信息，而輸出語句則是向用戶輸出GPS的各種數(shù)據(jù)信息。3．3 整體硬件設計
??? GSM模塊和GPS一OEM板均采用串行數(shù)據(jù)通信方式與MCU有兩個串口，分別為UARTl和UARTO實現(xiàn)通信，數(shù)據(jù)傳輸控制簡單可靠。
??? 232電平轉換部分用來進行TTL—RS232電平轉換。電源模塊為處理器、GSM引擎模塊、GPS模塊提供穩(wěn)定的電壓輸出。外部控制部分主要作用是接受人工報警等外部控制命令。GPS一OEM板用來提供位置信息、時間信息等數(shù)據(jù)，單片機定時從GPS—OEM板提取位置信息或是通過GSM引擎模塊依靠STK卡從GSM網(wǎng)絡運營商提取位置信息，再通過GSM模塊的短消息形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，GSM模塊并向監(jiān)控中心接收和發(fā)送短消息。接收的短消息經(jīng)單片機處理可以以用戶容易理解的符號顯示在LCD屏上，也可以經(jīng)語言模塊轉換成語音提示用戶。硬件結構如圖3所示。

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??? 利用鍵盤對所測經(jīng)度、緯度、時間進行粗略配置，可以縮短首次定位時間，實現(xiàn)迅速定位。并且可以通過鍵盤輸入更改顯示的定位信息，可以選擇的信息有：經(jīng)緯度、北京時間、海拔高度等。由于薄膜按鍵式鍵盤只需要一個I／0口，既節(jié)省資源又縮短了程序量，所以在本設計中選用薄膜按鍵式鍵盤。
??? 在硬件設計中由于GSM模塊和GPS模塊都含有射頻模塊，為避免干擾，兩個模塊應該盡量遠離?？梢苑旁?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB板的兩邊或者對角線的兩個端點，實踐證明這樣的做法是行之有效的。

4 定位終端的軟件設計
??? 系統(tǒng)軟件設計主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機對話模塊?？紤]到GPS比GSM定位準確，所以定位時以GPS定位為主以GSM定位為輔。車載終端處在GPS盲點區(qū)域(如車庫、林蔭道等)無法定位時利用GSM進行定位。主程序流程如圖4所示。

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4．1 初始化模塊
??? 主要是完成開機上電后對MCU、液晶顯示模塊、ACl20 OEM板的初始化工作。對于MCU要設置其串口工作模式、中斷工作模式和波特率；對于液晶顯示模塊要設置開機畫面和顯示模式；對于ACl20 OEM板需要設置波特率成功完成串口通訊。
4．2 數(shù)據(jù)處理模塊
??? 該模塊主要是負責處理從GPS一OEM板接收的數(shù)據(jù)、從鍵盤輸人的數(shù)據(jù)。ACl20 OEM板的輸出語句的刷新頻率為1 Hz，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，提高MCU的利用率，采用中斷方式接收而非查詢方式。
4．3 人機對話模塊
??? 該模塊主要是處理鍵盤輸入和顯示模塊操作。在GPS一OEM板的初始化配置過程中，需要根據(jù)實際需求配置OEM板的語句設置，另外一項重要的工作完成MCU與液晶模塊之間的數(shù)據(jù)通信和處理。

5 結 語
??? 由于GPS定位準確，GSM網(wǎng)絡覆蓋廣無盲點，故該終端首選用GPS定位，當GPS無法定位時，啟動GSM網(wǎng)絡定位對車載終端進行定位，可克服單純GPS定位或GSM定位的缺點，且成本較低。實踐證明，本定位終端可以在城市高樓區(qū)、林蔭道、車庫內(nèi)等因GPS衛(wèi)星信號丟失而無法定位的地方啟用GSM網(wǎng)絡定位，從而提高定位的穩(wěn)定性。它是一個能提供實時、準確、交互信息的系統(tǒng)，基本可實現(xiàn)準確且無盲點的定位，保障定位的效果。該系統(tǒng)在科技、經(jīng)濟和環(huán)保上都是完全可行的。