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車載GPS智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：討論了智能交通系統(tǒng)中車載終端的作用和意義；闡述了車載GPS智能終端的主要功能；介紹了GSM模塊及其性能和使用方法。著重討論了車載GPS智能終端的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)（ITS） 車載終端 GSM GPS 短消息
智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System，即ITS）采用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等于手段對(duì)傳統(tǒng)交通運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行改造，以達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行效率、提高系統(tǒng)可靠性和安全性、減少能源消耗和對(duì)自然界的污染等目的。ITS總體來(lái)說(shuō)包括四部分：交通信息采集部分、車輛調(diào)度控制部分、電子收費(fèi)系統(tǒng)和交通信息服務(wù)。其中的每個(gè)部分都需要車載終端的參與：在交通信息采集部分，需要車載終端提供車輛的準(zhǔn)確定位信息和車輛運(yùn)行情況信息；在車輛調(diào)度控制部分，車載終端作為控制的接收端，負(fù)責(zé)接收ITS中心的調(diào)度指揮信息；電子收費(fèi)系統(tǒng)需要車載終端與收費(fèi)站自動(dòng)完成付費(fèi)交易；車載終端還是交通信息服務(wù)的接收平臺(tái)，把服務(wù)顯示給車輛駕駛員和乘客。因此，車載終端是ITS系統(tǒng)中非常重要的組合部分。本文所介紹的“車載GPS智能終端”就是ITS車載終端的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。下面詳細(xì)介紹車載終端系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。
1 車載GPS智能終端的功能
根據(jù)ITS系統(tǒng)的要求，車載GPS智能終端應(yīng)具有如下功能：（1）車輛定位；（2）終端與ITS控制中心通訊；（3）報(bào)警，包括主動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)報(bào)警；（4）在必要時(shí)進(jìn)行車內(nèi)監(jiān)聽；（5）在必要時(shí)控制汽車熄火；（6）顯示調(diào)度信息。另外，車載GPS智能終端還根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)了其它功能：（1）可撥打車載電話；（2）限制車輛行駛范圍和行駛時(shí)間，監(jiān)控車輛的行駛軌跡等。車載GPS智能終端的這些功能使其特點(diǎn)適用于汽車保險(xiǎn)、運(yùn)輸車隊(duì)或出租車隊(duì)的管理、調(diào)度等領(lǐng)域。
圖1 ITS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
2 基于GPS-GSM/GPRS的ITS系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，使用也非常方便，通過專用的GPS模塊即可方便地獲得車載GPS智能終端所在的全球定位坐標(biāo)。其定位精度比較高，一般誤小于15m。
如何把定位信息發(fā)送給ITS中心一直是比較難解決的問題之一。以往的ITS系統(tǒng)多采用集群通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車載終端與ITS中心的通訊。但是這種系統(tǒng)具有覆蓋區(qū)域小、安裝維護(hù)費(fèi)用高、技術(shù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。近兩年隨著GSM/GPRS網(wǎng)在中國(guó)的普及，車載終端通過GSM/GPRS網(wǎng)與ITS中心通訊的方式已經(jīng)成為最受歡迎的方式。這主要由于以下原因：（1）GSM/GPRS網(wǎng)覆蓋面廣，目前已經(jīng)遍及我國(guó)大部分地區(qū)，包括鄉(xiāng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)；（2）無(wú)需建網(wǎng)、維護(hù)；（3）GSM/GPRS網(wǎng)可靠性高、誤碼率低；（4）使用短消息功能或GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，費(fèi)用比較低；（5）由于GSM/GPRS技術(shù)使用廣泛，提供相應(yīng)通訊模塊的廠商較多，價(jià)格也比較合理。這里設(shè)計(jì)的ITS系統(tǒng)就是基于GPS衛(wèi)星系統(tǒng)和GSM/GPRS這兩大系統(tǒng)的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
首先車載GPS智能終端通過GPS衛(wèi)星定位自己的全球坐標(biāo)；然后以消息或GPRS數(shù)據(jù)通訊方式把定位信息發(fā)送到ITS中心，ITS中心的控制調(diào)度命令也是通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車載GPS智能終端中，終端與ITS中心的通訊符合專用的命令協(xié)議；最后，互聯(lián)網(wǎng)的用戶還可以通過VPN專用網(wǎng)技術(shù)或其它安全聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到ITS中心，以控制、查看車載終端的狀態(tài)。
3 車載GPS智能終端硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
車載GPS智能終端利用單片機(jī)與GSM模塊聯(lián)合設(shè)計(jì)了一個(gè)符合經(jīng)濟(jì)型終端功能需求的硬件解決方案。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.1 主控單片機(jī)
主控單片機(jī)采用具有兩個(gè)串口的高性能單片機(jī)W77E58。在系統(tǒng)中，主控單片機(jī)負(fù)責(zé)接收用戶的手柄輸入信號(hào)和GPS輸入信號(hào)；對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，以獲得當(dāng)前的經(jīng)、緯度坐標(biāo)；接收并解析ITS中心發(fā)送的短消息命令，按命令進(jìn)行上傳定位坐標(biāo)、報(bào)警等操作；另外還負(fù)責(zé)把系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及ITS的信息通過液晶屏顯示出來(lái)。
3.2 GSM模塊
使用GSM模塊可以方便地利用GSM網(wǎng)進(jìn)行通訊。它同主控制器以串行口的方式連接，并采用一定的波特率進(jìn)行通信。主控制器可以通過AT命令控制GSM模塊使其發(fā)送短消息，使用GPRS傳送數(shù)據(jù)或進(jìn)行語(yǔ)音通話。GSM模塊硬件連接圖如圖3所示。
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GSM模塊與單片機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的串行口進(jìn)行通訊，通訊的最高波特率可以達(dá)到115200bit/s。GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIMDATA信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了保證發(fā)送短消息與短消息到達(dá)之間的時(shí)間間隔盡量短，選用的SIM卡最好是同一個(gè)電信運(yùn)營(yíng)商提供的。在使用GPRS功能時(shí)，還需要選擇支持GPRS的SIM卡，并開通GPRS服務(wù)。GSM模塊還支持驅(qū)動(dòng)兩路麥克風(fēng)、兩路揚(yáng)聲器和一路蜂鳴器。其中一路麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器可以連到手柄的聽筒上，以實(shí)現(xiàn)車載電話功能。
3.3 GPS模塊
GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星的信號(hào)，并計(jì)算出車載終端目前所在位置。采用的GPS模塊由變頻器、信號(hào)通道、微處理器和存儲(chǔ)單元組成。GPS模塊通過串行口向主控制器發(fā)送定位坐標(biāo)；主控制器也可以向GPS模塊發(fā)送設(shè)置命令，以控制GPS模塊的狀態(tài)和工作方式。GPS模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。一般在比較開闊的地區(qū)，需接收到三顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)才能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在車載GPS智能終端系統(tǒng)中，把天線放置在車頂可以有比較好的定位效果。
3.4 電源模塊
電源模塊用于給系統(tǒng)中的其它模塊供電。終端系統(tǒng)需要電源模塊提供三路電壓，分別為：3.6V、5V、3.3V。其中，GSM模塊在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)需要的電流比較大（約為2A），選用了National公司的LM2576電源芯片。它是一種PWM方式調(diào)制的高功率穩(wěn)壓芯片，可以提供高達(dá)3.5A的尖鋒電流。電源模塊中還設(shè)計(jì)了后備電池系統(tǒng)，在車載電源不工作或被破壞時(shí)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(huì)自動(dòng)被充電。
4 車載GPS智能終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
首先介紹程序響應(yīng)的中斷系統(tǒng)。由于單片機(jī)與模塊之間的通訊是不定期、不定長(zhǎng)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(duì)應(yīng)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)。單片機(jī)還要響應(yīng)另外兩個(gè)中斷：一個(gè)是報(bào)警按鈕被按下時(shí)觸發(fā)的中斷；另一個(gè)是定時(shí)中斷，它每20ms觸發(fā)一次，用于檢測(cè)GSM模塊的超時(shí)應(yīng)答。
車載GPS智能終端軟件系統(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)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中，（a）為總體流程框圖，（b）為GSM報(bào)文處理部分流程圖，（c）為GPS報(bào)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(shí)上傳定位信息、撥號(hào)、通話中、網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連通、GPS無(wú)法定位、報(bào)警。狀態(tài)間的切換主要由ITS中心通過發(fā)送消息的命令報(bào)文控制。
程序工作時(shí)先進(jìn)行初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控制循環(huán)中首先檢查GSM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是否有完整的GSM數(shù)據(jù)包，如果有則進(jìn)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GPS數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是否有完整的GPS數(shù)據(jù)包，如果有則取出并解析出當(dāng)前的全球定位坐標(biāo)，以供上傳坐標(biāo)時(shí)使用。最后根據(jù)終端所處的狀態(tài)對(duì)終端進(jìn)行操作，例如：如果終端處于上傳定位消息的狀態(tài)，則控制GSM模塊上傳定的消息。
實(shí)驗(yàn)證明，車載GPS智能終端可以較好地完成終端定位、與ITS中心通訊、報(bào)警、撥打車載電話等功能，并且具有成本較低、系統(tǒng)覆蓋面廣、使用維護(hù)費(fèi)用低、通訊可靠等特點(diǎn)。但是，由于系統(tǒng)主要采用GSM系統(tǒng)的短消息進(jìn)行通訊，因此無(wú)法做到實(shí)時(shí)通訊。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)就可以使用GPRS技術(shù)代替短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其“永遠(yuǎn)在線”的特點(diǎn)可保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
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