近年來，隨著汽車的普及和道路的建設(shè)，城際間的經(jīng)濟(jì)往來更加頻繁，活動的區(qū)域也越來越大，由此產(chǎn)生了交通擁擠、車禍增加、廢氣排放量增加等嚴(yán)重問題。智能交通系統(tǒng) (Intelligent Transport System) 的出現(xiàn)有效地改善了以上各種交通問題。車載監(jiān)控系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的一個分支，它集先進(jìn)的無線定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和現(xiàn)代移動通信技術(shù)于一身，不僅在智能交通系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)主要作用，同時還能提供防盜防搶劫報警、緊急醫(yī)療求助、娛樂等多種服務(wù)。這些都促使各研發(fā)機(jī)構(gòu)大力開發(fā)車輛監(jiān)控系統(tǒng)，本文就選取整個系統(tǒng)中的車載終端模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 車輛監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)由 GPS 衛(wèi)星、車載終端、通信網(wǎng)絡(luò) (GPRS 和 Internet) 和監(jiān)控中心組成。車輛在運(yùn)行過程中，車載終端的 GPS 接收機(jī)接收定位數(shù)據(jù)，計(jì)算出車輛當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、速度、航向和其他信息 ( 時間、狀態(tài) ) 等，然后通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到具有靜態(tài) IP 地址的監(jiān)控中心，并存人中心數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控中心在接到車輛上傳的信息后，根據(jù)車輛的當(dāng)前狀況科學(xué)地進(jìn)行調(diào)度和管理，從而提高運(yùn)營效率?？蛻粢部梢酝ㄟ^ Internet 或電話來查詢特定車輛的當(dāng)前狀況。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
2 車載終端的功能
車載 GPS ／ GPRS 終端的衛(wèi)星接收模塊采集到 GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到車輛的地理坐標(biāo)信息。該信息通過車載終端處理之后，由 GPRS 無線通信模塊發(fā)送到 GPRS 無線通信網(wǎng)上。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在車載終端和接人 Internet 網(wǎng)的監(jiān)控中心之間建立一條支持TCP／lP 的數(shù)據(jù)通道。車載 GPS ／ GPRS 終端依靠該數(shù)據(jù)通道和監(jiān)控中心之間進(jìn)行信息的交互。監(jiān)控中心還可以通過該通道向下發(fā)送控制命令和服務(wù)信息。另外，除了車輛定位，系統(tǒng)還可以提供諸如防盜防搶、對移動車輛進(jìn)行斷油斷電、顯示調(diào)度信息、醫(yī)療求助、移動電話等多種服務(wù)。
3 車載終端硬件設(shè)計(jì)
車載終端硬件系統(tǒng)以單片機(jī)和 GPS+GPRS 模塊為核心，屬于經(jīng)濟(jì)型功能終端，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
3.1 信息處理和控制模塊
采用 AVR 系列的單片機(jī)系統(tǒng)，主要功能是進(jìn)行信息處理和控制車載臺的各組成部分按照通信協(xié)議的要求執(zhí)行響應(yīng)的操作。該模塊由 CPU 、外部存儲器、 I ／ O 接口以及控制邏輯電路組成。其中 CPU 采用 ATMEGA64(L) 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，它是基于增強(qiáng)的 AVR RISO 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器，曲于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATMEGA64(L) 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS ／ MHz ，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。該單片機(jī)具有兩個串口，分別用來與 GPS 和 GPRS 模塊通信。
3.2 GSM ／ GPRS+GPS 模塊
采用 SIMCOM 公司的 SIM508 模塊。 SIM508 模塊是一款將三頻 GSM ／ GPRS 和具有 20 通道能力的 GPS 完全整合到一個模塊中 ( 34 mm × 55 mm × 3 mm ) 的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)完全滿足車載應(yīng)用環(huán)境要求 ( 溫度、濕度、防震等 ) 。特別地，整合了附加元器件的SIM508 可以節(jié)省很多時間和成本。 SIM508 支持 NMEA-0183 ， SiRF binary 和 RTCM SC-104 三種 GPS 數(shù)據(jù)格式，能夠滿足不同的設(shè)計(jì)要求。車載終端通過模塊中的 GPS 部分獲得車輛的具體位置，經(jīng)過 CPU 處理后，顯示給用戶并通過 GPRS 部分將該信息發(fā)送到監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對車輛的實(shí)時定位跟蹤，同時還能實(shí)現(xiàn)語音和短消息通信功能。
3.3 輸入輸出模塊
輸出通過 12232F 液晶模塊實(shí)現(xiàn)，可以顯示圖形，也可以顯示 7.5 × 2 個 (16 × 16 點(diǎn)陣) 漢字，與外部 CPU 接口可以采用并行或串行，考慮到編程的簡易性，本車載終端采用串行接口連接。
車載終端的輸入有兩種方式：遙控器輸入 ( 主要輸入設(shè)備 ) 和手柄輸入。考慮到緊急情況下手柄輸入的局限性，這里采用遙控器作為主要輸入設(shè)備，可以用來完成語音撥號、收發(fā)短消息、醫(yī)療求助、維修求助、啟閉設(shè)備等功能。手柄裝置包括確認(rèn)、返回和上、下翻動四個功能鍵，為方便用戶輸入而設(shè)計(jì)。
4 車載終端軟件設(shè)計(jì)
本軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個模塊實(shí)現(xiàn)一個功能或一個協(xié)議，各功能模塊以子函數(shù)形式出現(xiàn)，縮短了軟件開發(fā)時間，易于程序修改和移植，同時，在編寫軟件時，還留有一些軟件應(yīng)用接口，便于軟件升級，如增加新協(xié)議。軟件系統(tǒng)功能模塊如圖 3 所示。
4.1 系統(tǒng)工作流程
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(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其工作流程
如圖 4 所示
程序工作時先進(jìn)行 GPS 和 GPRS 串口初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控循環(huán)中，先識別 GPS 數(shù)據(jù)是否有效，即定位是否成功，定位成功則系統(tǒng)轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)，建立 GPRS 連接，否則重新定位。建立好 GPRS 連接后便可以向監(jiān)控中心發(fā)送處理后的定位數(shù)據(jù)。同時，主程序運(yùn)行的過程中，還能響應(yīng)遙控器輸入中斷請求，以便實(shí)現(xiàn)其他功能。
4.2 軟件系統(tǒng)協(xié)議棧
借鑒于 OSI 模型和標(biāo)準(zhǔn)的 TCP ／ IP 協(xié)議棧，本系統(tǒng)采用四層網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議：傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。系統(tǒng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。
考慮到車輛監(jiān)控系統(tǒng)中幾十、幾百甚至上千個車載終端的情況，對于這種多點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)量小、實(shí)時性要求高、終端數(shù)量多的應(yīng)用，傳輸層采用 UDP 比 TCP 會更好一些。 IP 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，主要是將數(shù)據(jù)流切割成適當(dāng)?shù)拇笮?，然后將這些數(shù)據(jù)包通過選擇路由，利用不同的路由來傳送到目的地 IP 。在物理層之上， PPP 協(xié)議作為 GPRS 在物理層之上的惟一指定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過 CRC 校驗(yàn)、確認(rèn)等手段將原始的物理層連接改造成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。 PPP 協(xié)商成功后，系統(tǒng)將成功遠(yuǎn)程登錄 Internet ，并得到網(wǎng)關(guān)分配給自己的 IP 。終端與網(wǎng)絡(luò)之間的物理層通道就是 GPRS 連接。具體的 GPRS 協(xié)議都已被做在 GPRS modem 中，通過數(shù)據(jù)端對 GPRS modem 正確的 AT 指令設(shè)置后，就可以用 AT 撥號指令進(jìn)行撥號連接，當(dāng)收到 GPRS modem 的撥號反饋應(yīng)答后，一條物理通道即 GPRS 信道就在本終端中和網(wǎng)絡(luò)之間建立起來了。
5 結(jié) 語
介紹了基于 GPS ／ GPRS 的車輛監(jiān)控系統(tǒng)終端的一種實(shí)現(xiàn)方案，并給出了詳細(xì)的軟件及硬件組成和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)多次測試系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好。該系統(tǒng)可以應(yīng)用手指揮監(jiān)控系統(tǒng)、城市租賃汽車管理系
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