基于单片机与GPS/GPRS 的车载监控终端的设计与实现

引言

随着科技的发展，汽车的普及和道路的建设，城际间的经济往来更加频繁，活动的区域也越来越大，由此产生了交通拥挤、车祸增加、废气排放量增加等严重问题。智能交通系统（IntelligentTransportSystem）的出现有效地改善了以上各种交通问题。智能交通系统是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合的运输和管理系统。它通过人、车、路的和谐、密切配合提高交通运输效率，缓解交通阻塞，提高路网通过能力，较少交通事故，降低能源消耗，减轻环境污染。

车载监控系统是智能交通系统的一个分支，它集先进的无线定位技术、地理信息系统和现代移动通信技术于一身，不仅在智能交通系统中担负主要作用，同时还能提供防盗防抢劫报警、紧急医疗求助、娱乐等多种服务。本文就选取整个系统中的车载终端模块进行设计与实现，并且介绍了下GPS车载终端。

一、关于GPS车载终端

GPS车载终端又称GPS车辆管理系统或GPS车载监控系统，它是依托卫星定位、地理信息及无线通信等技术手段，实时掌握车辆位置和状态，提供调度管理信息的软硬件综合系统。

1.车辆监控系统总体结构

车辆监控系统由GPS卫星、车载终端、通信网络（GPRS和Internet）和监控中心四大部分组成。车辆在运行过程中，车载终端的GPS接收机接收定位数据，计算出车辆当前的经度、纬度、速度、航向和其他信息（时间、状态）等，然后通过GPRS网络传送到具有静态IP地址的监控中心，并存人中心数据库。监控中心在接到车辆上传的信息后，根据车辆的当前状况科学地进行调度和管理，从而提高运营效率。客户也可以通过Internet或电话来查询特定车辆的当前状况。

系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

2.车载终端的特点
1、外观小巧，性能稳定。主机如烟盒大小，可以安装在很隐蔽的地方，GPS天线也无须安放在外，因为它采用的是超强度接收的第四代模块，所以可以安放在车内比较隐秘的地方。主机内部元器件全部采用进口工业级材料，核心GSM模块为德国的西门子品牌，GPS模块为HOLUX SIRF III，核心单片机为稳定性最强的P IC，其它IC元件为德国TI公司的。

2、安装简单。只需要驳接原车两条电源线即可，断油装置可接可不接，如果需要安装断油装置的话只需将原车油泵供电线剪断然后串联到本机即可。

3、误报警率低。本产品注重人性化设计，将误报警率降到最低。

4、多重防范，确保有警必报。

3.车载终端的功能

车载GPS／GPRS终端的卫星接收模块采集到GPS卫星数据，经过数据处理得到车辆的地理坐标信息。该信息通过车载终端处理之后，由GPRS无线通信模块发送到GPRS无线通信网上。GPRS网络根据相应的协议在车载终端和接人Internet网的监控中心之间建立一条支持TCP／lP的数据通道。车载GPS／GPRS终端依靠该数据通道和监控中心之间进行信息的交互。监控中心还可以通过该通道向下发送控制命令和服务信息。

另外，除了车辆定位，系统还可以提供诸如防盗防抢、对移动车辆进行断油断电、显示调度信息、医疗求助、移动电话等多种服务。

二、车载终端硬件设计

车载终端硬件系统以ATMEGA64(L)单片机和GPS+GPRS模块为核心，其结构如图2所示。

1.信息处理和控制模块

本文采用AVR系列的单片机系统，主要是进行信息处理和控制车载台的各组成部分按照通信协议的要求执行响应的操作。该模块由CPU、外部存储器、I／O接口以及控制逻辑电路组成。CPU采用ATMEGA64（L）单片机实现，该单片机具有两个串口，分别用来与GPS和GPRS模块通信。它是基于增强的AVRRISO结构的低功耗8位CMOS微控制器，曲于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA64（L）的数据吞吐率高达1MIPS／MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

2.GSM／GPRS+GPS模块

GSM/GPRS+GPS模块采用SIMCOM公司的SIM508模块。SIM508模块是一款将三频GSM／GPRS和具有20通道能力的GPS完全整合到一个模块中（34mm×55mm×3mm）的产品。该产品的设计完全满足车载应用环境要求（温度、湿度、防震等）。特别地，整合了附加元器件的SIM508可以节省很多时间和成本。车载终端通过模块中的GPS部分获得车辆的具体位置，经过CPU处理后，显示给用户并通过GPRS部分将该信息发送到监控中心，以实现对车辆的实时定位跟踪，同时还能实现语音和短消息通信功能。

3.输入输出模块

车载终端的输入主要有遥控器输入（主要输入设备）和手柄输入两种方式。考虑到在紧急情况下手柄输入的局限性，本文采用遥控器作为主要输入设备，可以用来完成语音拨号、收发短消息、医疗求助、维修求助、启闭设备等功能。

输出通过12232F液晶模块实现，可以显示图形，也可以显示7.5×2个（16×16点阵）汉字，与外部CPU接口可以采用并行或串行，考虑到编程的简易性，本车载终端采用串行接口连接。

三、车载终端软件设计

本软件系统采用模块化设计方法，每个模块实现一个功能或一个协议，各功能模块以子函数形式出现，缩短了软件开发时间，易于程序修改和移植，同时，在编写软件时，还留有一些软件应用接口，便于软件升级，如增加新协议。

软件系统功能模块如图3所示。

1.软件系统的工作流程

车载终端软件系统的主要功能是由主程序完成的。主程序采用状态机的系统结构，其工作流程如图4所示。
 

程序工作时先进行GPS和GPRS串口初始化工作，然后进入主控制循环。在主控循环中，先识别GPS数据是否有效，即定位是否成功，定位成功则系统转到下一个状态，建立GPRS连接，否则重新定位。建立好GPRS连接后便可以向监控中心发

送处理后的定位数据。同时，主程序运行的过程中，还能响应遥控器输入中断请求，以便实现其他功能。

2.软件系统协议栈

借鉴于OSI模型和标准的TCP／IP协议栈，本系统采用四层网络传输协议：传输层、网络层、数据链路层和物理层。系统协议栈结构如图5所示。

考虑到车辆监控系统中几十、几百甚至上千个车载终端的情况，对于这种数据量小、多点分散、实时性要求高、终端数量多的应用，传输层采用UDP比TCP会更好一些。IP协议作为网络层协议，主要是将数据流切割成适当的大小，然后将这些数据包通过选择路由，利用不同的路由来传送到目的地IP。在物理层之上，PPP协议作为GPRS在物理层之上的惟一指定的数据链路层协议，通过CRC校验、确认等手段将原始的物理层连接改造成无差错的数据链路。PPP协商成功后，系统将成功远程登录Internet，并得到网关分配给自己的IP。终端与网络之间的物理层通道就是GPRS连接。具体的GPRS协议都已被做在GPRSmodem中，通过数据端对GPRSmodem正确的AT指令设置后，就可以用AT拨号指令进行拨号连接，当收到GPRSmodem的拨号反馈应答后，一条物理通道即GPRS信道就在本终端中和网络之间建立起来了。

3.城市智能交通的未来发展趋势

随着城市交通问题的日益发展，城市交通综合信息平台、全球定位与车载导航系统、城市公共交通车辆以及出租车的车辆指挥与调度系统、城市综合应急系统都将迎来较大的发展机遇。

总体而言，城市智能交通系统的发展趋势将表现为综合化、多部门驱动型的发展模式。由于城市智能交通体系将涉及相关的市民、公安交通管理、交通部门车辆管理、城市建设、通信等相关部门工作，因而未来城市智能交通的发展过程必然是一个涉及以交通与公安为主的多部门驱动的发展过程。

四、总结

本文介绍了基于GPS／GPRS的车辆监控系统终端的实现方案，给出了详细的软件及硬件组成和设计实现，经多次测试系统稳定，效果良好。该系统可以应用手指挥监控系统、城市租赁汽车管理系统、物流运输系统、医疗救护系统等领域，市场前景极为广阔。