出租車車載監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文根據(jù)出租車公司對(duì)車輛監(jiān)控定位的要求，以單片機(jī)MSP430F147為核心，集成GPS模塊、GPRS模塊，詳細(xì)論述了出租車車載監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)，其中包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集運(yùn)行出租車車輛的實(shí)時(shí)位置信息，并且可以將采集到的信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車運(yùn)營(yíng)公司，為出租車公司對(duì)車輛的監(jiān)控調(diào)度提供了方便。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī);GPS模塊;GPRS模塊

　　0. 引言

　　隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，出租車作為城市公共交通的一部分，已經(jīng)成為現(xiàn)代城市交通不可缺少的部分。但是隨之而來的出租車監(jiān)控調(diào)度、安全管理卻成了每個(gè)出租車公司的一大問題。如何簡(jiǎn)單快捷的對(duì)出租車進(jìn)行合理的調(diào)度管理，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控每輛出租車的安全狀況，針對(duì)這一問題我們開發(fā)了出租車車載監(jiān)控設(shè)備，此系統(tǒng)大大方便了出租車公司對(duì)出租車的調(diào)度管理，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控出租車的位置以及安全狀況。

　　1. 出租車車載監(jiān)控設(shè)備的功能

　　出租車車載監(jiān)控設(shè)備是出租車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，可以向出租車監(jiān)控調(diào)度中心提供出租車的實(shí)時(shí)位置信息，保證出租車運(yùn)行安全，以及對(duì)出租車進(jìn)行合理的調(diào)度，出租車載監(jiān)控設(shè)備的功能如下：

　　1)信息采集功能

　　車載監(jiān)控設(shè)備可以準(zhǔn)確無誤的采集車輛的實(shí)時(shí)信息(如經(jīng)度、維度、速度、方向等)。

　　2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

　　可以存儲(chǔ)車輛ID號(hào)、停車前15分鐘的速度信息以及連續(xù)行車時(shí)間等信息。

　　3)數(shù)據(jù)傳輸功能

　　可以將采集到的出租車實(shí)時(shí)信息通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心，并且可以接收來自監(jiān)控調(diào)度中心的調(diào)度命令。

　　2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F147為核心控制器[1]，集成GPS模塊、GPRS模塊、串行存儲(chǔ)器模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框框圖見圖1。

　　2.1 單片機(jī)單元

　　系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F147單片機(jī)作為核心控制器[2]，此款單片機(jī)具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最大化的代碼效率;集成JTAG，支持在線編程;兩個(gè)通用全雙工串行同步/異步通信接口;6個(gè)8位I/O口;外部中斷輸入接口。單片機(jī)串口0負(fù)責(zé)接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效信息數(shù)據(jù)，一方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，另一方面將信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心。

　　2.2 GPS模塊

　　2.2.1 GPS概述

　　GPS(Global Positioning System)是美國(guó)研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。它是目前世界上精度高的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟(jì)、地理信息測(cè)控及其他領(lǐng)域。GPS定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：

　　(1)GPS衛(wèi)星星座(空間部分)：24顆衛(wèi)星(其中三顆備用)，分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面均勻布設(shè)4顆衛(wèi)星，從而保障了地球上任何地點(diǎn)和時(shí)刻都能觀察到4顆衛(wèi)星。它能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)。

　　(2)地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面控制部分)：中央控制系統(tǒng)，跟蹤衛(wèi)星定軌，用來監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的狀態(tài)，對(duì)衛(wèi)星軌道信息進(jìn)行修正。

　　(3)GPS信號(hào)接收機(jī)(用戶設(shè)備部分)：接收設(shè)備，主要由天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。其基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。接收單元主要作用是記錄GPS信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，以獲得有用的定位信息。

　　2.2.2 GPS模塊介紹

　　GPS采用GS-87模塊[3]，它是一個(gè)高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國(guó)瑟孚SiRF star III公司所設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPS Antenna(GPS天線)接收衛(wèi)星信號(hào)，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流。電流經(jīng)過LNA(低噪音放大器)被放大，在通過filter 濾波器將其變頻處理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3組成)進(jìn)行處理，將處理后的信號(hào)通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接。用戶通過對(duì)單片機(jī)的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出對(duì)用戶有用的信息。

　　圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2.3 GPS模塊接口電路的設(shè)計(jì)

　　GS-87模塊共有6個(gè)引腳，它與單片機(jī)主要進(jìn)行串口通信，故它們之間連接時(shí)可通過GS-87的數(shù)據(jù)接收引腳RXA與數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXA分別與單片機(jī)的串口UART0(TXD0和RXD0)相連。GS-87的TXA引腳為串行數(shù)據(jù)輸出端口A，是主要的數(shù)據(jù)傳輸通道，用于輸出導(dǎo)航和測(cè)量的數(shù)據(jù);RXA為串行數(shù)據(jù)接收端口A，是主要的接收通道，用于接收來自單片機(jī)的控制命令;VCC外接+3.3~5.5的電源輸入端口，為保證模塊工作時(shí)不受外界電磁噪聲的干擾，在電源端VCC與地端GND之間安裝旁路電容，旁路電容C19主要用來去除高頻電磁脈沖，電解電容C33主要用來去除低頻干擾以及儲(chǔ)存電荷功能;RXB為輔助串行數(shù)據(jù)接收端口B，用于差分定位;Time Mark默認(rèn)為從GS-87提供1脈沖每秒輸出信號(hào)，用于同步一微秒的時(shí)間。在車載監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可滿足功能要求。GPS模塊電路連接圖如圖3所示：

　　圖3 GS-87電路連接原理圖

　　2.3 GPRS模塊

　　2.3.1 GPRS概述

　　GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接;是GSM Phase2.1規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbit/s更高的數(shù)據(jù)率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信(3G)的過渡技術(shù)，GPRS充分利用了現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)的設(shè)備，不需要改變無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而從很大程度上節(jié)省了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。它支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議，在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時(shí)只需要增加部分硬件設(shè)備和軟件升級(jí)即可。構(gòu)建GPRS系統(tǒng)的方法：1)GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入了3個(gè)主要組件：GPRS服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)(SGSN，Serving GPRS Supporting Node)、GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)(GGSN，Gateway GPRS Supporting Node)以及分組控制單元(PCU，Package Control Unit)。2)對(duì)GSM的相關(guān)部件進(jìn)行軟件升級(jí)。

　　GPRS的數(shù)據(jù)傳輸具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)采用的時(shí)分組交換技術(shù)的通信方式。(2)按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，而不是按在線時(shí)長(zhǎng)計(jì)費(fèi)。(3)傳輸速率高。(4)永遠(yuǎn)在線。(5)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。(6)GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。(7)GPRS 的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。

　　由以上所描述的GPRS特點(diǎn)可看出，對(duì)于出租車載監(jiān)控設(shè)備來說，采用GPRS無線通信技術(shù)完全滿足設(shè)計(jì)需要。應(yīng)用GPRS技術(shù)在車載監(jiān)控設(shè)備與監(jiān)控調(diào)度中心之間建立起一座數(shù)據(jù)通信的橋梁，使得遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度成為可能。隨著GPRS技術(shù)的不斷發(fā)展完善，基于GPRS的無線數(shù)據(jù)通信將得到更廣泛的應(yīng)用。

　　2.3.2 GPRS模塊介紹

　　GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊[4]，它是車載監(jiān)控設(shè)備與出租車公司監(jiān)控調(diào)度中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊一方面可以將GPS模塊采集到的車輛定位信息(如時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度、方向等)實(shí)時(shí)發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心的服務(wù)器上;另一方面還可以接收來自出租車監(jiān)控調(diào)度中心的調(diào)度命令。實(shí)現(xiàn)車載監(jiān)控設(shè)備與監(jiān)控調(diào)度中心的雙向通信。

　　2.3.3 GPRS接口電路設(shè)計(jì)

　　MC52i模塊與MSP430F147通過串口以及信號(hào)控制引腳相連，電路連接圖如圖4所示。MC52i的26-30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3V～4.8V，峰值負(fù)載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為MC52i模塊的數(shù)據(jù)接收端口與數(shù)據(jù)輸出端口，分別連接到單片機(jī)串口(UART1)的TXD1與RXD1。MC52i的1-6引腳為外接SIM卡提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓;CCCLK信號(hào)為SIM卡提供時(shí)鐘脈沖信號(hào);CCIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口;CCRST信號(hào)為SIM卡復(fù)位信號(hào);CCIN引腳主要用來檢測(cè)SIM卡是否插入SIM卡卡座中。

　　圖4 MC55連接原理圖

　　3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 主程序功能

　　主程序負(fù)責(zé)初始化、開中斷、分析解析GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入各種相應(yīng)的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖5a。

　　3.1 GPS數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

　　車載終端設(shè)備需要從GPS定位信息中提取出有用的信息并且顯示出來，所以也需要了解各種NMEA數(shù)據(jù)的含義。下面僅列出GPS固定數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句(GPRMC)輸出范例，各數(shù)據(jù)代表的意義如表1所示。輸出范例：

　　$GPRMC,025812.487,A,3752.5236,N, 11229.1768,E,0.13,309.62,181211, ,*70

　　表1 GPRMC數(shù)據(jù)含義

　　Tab. 1 GPRMC data meaning

　　當(dāng)GPS模塊有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數(shù)據(jù)頭標(biāo)志即“$GPRMC”，若判斷到數(shù)據(jù)正確則程序進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式，直到接收到“*”表示數(shù)據(jù)接收成功，否則退出中斷程序等待下次數(shù)據(jù)的到來。以下為部分中斷程序代碼。

　　While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);

　　{ UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;

　　if (UART0_RX_BUF[0]!='$') num=0;

　　if(num==5)

　　{ if (UART0_RX_BUF[2]!='P') num=0;

　　if (UART0_RX_BUF[3]!='R') num=0;

　　if (UART0_RX_BUF[4]!='M') num=0;

　　}

　　if (num==56)

　　{ for (i=56;i<73;i++)

　　{ if (UART0_RX_BUF[i]!='*') num=0;

　　else k=i; }

　　}

　　}

　　}

　　3.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)

　　出租車車載監(jiān)控設(shè)備可以將車輛的實(shí)時(shí)信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心以便監(jiān)控調(diào)度中心掌握出租車運(yùn)行狀況。單片機(jī)接收到GPS數(shù)據(jù)并且解析有效信息后，將需要發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心的信息(經(jīng)緯度、速度等)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器內(nèi)，以便數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)調(diào)用。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送時(shí)間間隔為5S，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5S溢出進(jìn)入中斷后，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序，調(diào)用發(fā)送緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖5b：

　　4. 結(jié)論

　　目前車載GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到民用、軍用各個(gè)行業(yè)。在本文出租車車載監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)中其硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)。經(jīng)過實(shí)際車載試驗(yàn)，出租車載監(jiān)控設(shè)備性能穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)的精確程度以及發(fā)送數(shù)據(jù)的正確率都達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)要求。為出租車公司監(jiān)控調(diào)度提供了良好的運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。