车载GPS智能终端的设计与实现

智能交通系统（Intelligent Transport System，即ITS）采用信息技术、计算机技术、控制技术等于手段对传统交通运行系统进行改造，以达到增强系统运行效率、提高系统可靠性和安全性、减少能源消耗和对自然界的污染等目的。ITS总体来说包括四部分：交通信息采集部分、车辆调度控制部分、电子收费系统和交通信息服务。其中的每个部分都需要车载终端的参与：在交通信息采集部分，需要车载终端提供车辆的准确定位信息和车辆运行情况信息；在车辆调度控制部分，车载终端作为控制的接收端，负责接收ITS中心的调度指挥信息；电子收费系统需要车载终端与收费站自动完成付费交易；车载终端还是交通信息服务的接收平台，把服务显示给车辆驾驶员和乘客。因此，车载终端是ITS系统中非常重要的组合部分。本文所介绍的“车载GPS智能终端”就是ITS车载终端的一个具体实现。下面详细介绍车载终端系统的功能与设计实现方法。
一．车载GPS智能终端的功能
根据ITS系统的要求，车载GPS智能终端应具有如下功能：（1）车辆定位；（2）终端与ITS控制中心通讯；（3）报警，包括主动报警和自动报警；（4）在必要时进行车内监听；（5）在必要时控制汽车熄火；（6）显示调度信息。另外，车载GPS智能终端还根据用户需要实现了其它功能：（1）可拨打车载电话；（2）限制车辆行驶范围和行驶时间，监控车辆的行驶轨迹等。车载GPS智能终端的这些功能使其特点适用于汽车保险、运输车队或出租车队的管理、调度等领域。

图1 ITS系统的结构示意图
二．基于GPS-GSM/GPRS的ITS系统设计
目前全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）的技术已经比较成熟，使用也非常方便，通过专用的GPS模块即可方便地获得车载GPS智能终端所在的全球定位坐标。其定位精度比较高，一般误小于15m。
如何把定位信息发送给ITS中心一直是比较难解决的问题之一。以往的ITS系统多采用集群通信系统实现车载终端与ITS中心的通讯。但是这种系统具有覆盖区域小、安装维护费用高、技术复杂等缺点。近两年随着GSM/GPRS网在中国的普及，车载终端通过GSM/GPRS网与ITS中心通讯的方式已经成为最受欢迎的方式。这主要由于以下原因：（1）GSM/GPRS网覆盖面广，目前已经遍及我国大部分地区，包括乡村和边远地区；（2）无需建网、维护；（3）GSM/GPRS网可靠性高、误码率低；（4）使用短消息功能或GPRS进行数据传输，费用比较低；（5）由于GSM/GPRS技术使用广泛，提供相应通讯模块的厂商较多，价格也比较合理。这里设计的ITS系统就是基于GPS卫星系统和GSM/GPRS这两大系统的。其结构如图1所示。
首先车载GPS智能终端通过GPS卫星定位自己的全球坐标；然后以消息或GPRS数据通讯方式把定位信息发送到ITS中心，ITS中心的控制调度命令也是通过GSM/GPRS网络发送到车载GPS智能终端中，终端与ITS中心的通讯符合专用的命令协议；最后，互联网的用户还可以通过VPN专用网技术或其它安全联网技术连接到ITS中心，以控制、查看车载终端的状态。
三．车载GPS智能终端硬件系统的设计
车载GPS智能终端利用单片机与GSM模块联合设计了一个符合经济型终端功能需求的硬件解决方案。其硬件系统结构如图2所示。

（一）主控单片机
主控单片机采用具有两个串口的高性能单片机W77E58。在系统中，主控单片机负责接收用户的手柄输入信号和GPS输入信号；对GPS信号进行计算，以获得当前的经、纬度坐标；接收并解析ITS中心发送的短消息命令，按命令进行上传定位坐标、报警等操作；另外还负责把系统的运行状态及ITS的信息通过液晶屏显示出来。
（二）GSM模块
使用GSM模块可以方便地利用GSM网进行通讯。它同主控制器以串行口的方式连接，并采用一定的波特率进行通信。主控制器可以通过AT命令控制GSM模块使其发送短消息，使用GPRS传送数据或进行语音通话。GSM模块硬件连接图如图3所示。

GSM模块与单片机之间采用标准的串行口进行通讯，通讯的最高波特率可以达到115200bit/s。GSM模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIMDATA信号线进行数据通信。为了保证发送短消息与短消息到达之间的时间间隔尽量短，选用的SIM卡最好是同一个电信运营商提供的。在使用GPRS功能时，还需要选择支持GPRS的SIM卡，并开通GPRS服务。GSM模块还支持驱动两路麦克风、两路扬声器和一路蜂鸣器。其中一路麦克风和扬声器可以连到手柄的听筒上，以实现车载电话功能。
（三）GPS模块
GPS模块用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。采用的GPS模块由变频器、信号通道、微处理器和存储单元组成。GPS模块通过串行口向主控制器发送定位坐标；主控制器也可以向GPS模块发送设置命令，以控制GPS模块的状态和工作方式。GPS模块需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。一般在比较开阔的地区，需接收到三颗以上的GPS卫星信号才能进行准确定位。在车载GPS智能终端系统中，把天线放置在车顶可以有比较好的定位效果。
（四） 电源模块
电源模块用于给系统中的其它模块供电。终端系统需要电源模块提供三路电压，分别为：3.6V、5V、3.3V。其中，GSM模块在发送和接收数据时需要的电流比较大（约为2A），选用了National公司的LM2576电源芯片。它是一种PWM方式调制的高功率稳压芯片，可以提供高达3.5A的尖锋电流。电源模块中还设计了后备电池系统，在车载电源不工作或被破坏时给车载GPS终端供电。在车载电源工作正常的情况下，后备电池会自动被充电。
四．车载GPS智能终端软件系统的设计
首先介绍程序响应的中断系统。由于单片机与模块之间的通讯是不定期、不定长的通讯，为了保证不出现阻塞情况，系统采用中断接收方式：把接收到的所有数据在中断过程中放入对应的循环缓冲区之中，然后由主程序解析接收到的串口数据。单片机还要响应另外两个中断：一个是报警按钮被按下时触发的中断；另一个是定时中断，它每20ms触发一次，用于检测GSM模块的超时应答。

车载GPS智能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，其总体结构图如图4所示。其中，（a）为总体流程框图，（b）为GSM报文处理部分流程图，（c）为GPS报文处理部分流程图。终端可以处于8种状态：空闲、上传定位信息、定时上传定位信息、拨号、通话中、网络无法连通、GPS无法定位、报警。状态间的切换主要由ITS中心通过发送消息的命令报文控制。
程序工作时先进行初始化工作，然后进入主控制循环。在主控制循环中首先检查GSM数据缓冲区中是否有完整的GSM数据包，如果有则进行解析，并根据协议中的控制命令改变终端所处的状态。接着判断GPS数据缓冲区中是否有完整的GPS数据包，如果有则取出并解析出当前的全球定位坐标，以供上传坐标时使用。最后根据终端所处的状态对终端进行操作，例如：如果终端处于上传定位消息的状态，则控制GSM模块上传定的消息。
实验证明，车载GPS智能终端可以较好地完成终端定位、与ITS中心通讯、报警、拨打车载电话等功能，并且具有成本较低、系统覆盖面广、使用维护费用低、通讯可靠等特点。但是，由于系统主要采用GSM系统的短消息进行通讯，因此无法做到实时通讯。在本系统的基础上稍加改进就可以使用GPRS技术代替短消息进行数据传输，其“永远在线”的特点可保证数据的实时传输