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車載GPS智能終端的設計與實現(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計與實現(xiàn)方法。關鍵詞：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、計算機技術、控制技術等于手段對傳統(tǒng)交通運行系統(tǒng)進行改造，以達到增強系統(tǒng)運行效率、提高系統(tǒng)可靠性和安全性、減少能源消耗和對自然界的污染等目的。ITS總體來說包括四部分：交通信息采集部分、車輛調(diào)度控制部分、電子收費系統(tǒng)和交通信息服務。其中的每個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確定位信息和車輛運行情況信息；在車輛調(diào)度控制部分，車載終端作為控制的接收端，負責接收ITS中心的調(diào)度指揮信息；電子收費系統(tǒng)需要車載終端與收費站自動完成付費交易；車載終端還是交通信息服務的接收平臺，把服務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車載終端的一個具體實現(xiàn)。下面詳細介紹車載終端系統(tǒng)的功能與設計實現(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智能終端應具有如下功能：（1）車輛定位；（2）終端與ITS控制中心通訊；（3）報警，包括主動報警和自動報警；（4）在必要時進行車內(nèi)監(jiān)聽；（5）在必要時控制汽車熄火；（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適用于汽車保險、運輸車隊或出租車隊的管理、調(diào)度等領域。
圖1 ITS系統(tǒng)的結構示意圖
2 基于GPS-GSM/GPRS的ITS系統(tǒng)設計
目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的技術已經(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。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、安裝維護費用高、技術復雜等缺點。近兩年隨著GSM/GPRS網(wǎng)在中國的普及，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)遍及我國大部分地區(qū)，包括鄉(xiāng)村和邊遠地區(qū)；（2）無需建網(wǎng)、維護；（3）GSM/GPRS網(wǎng)可靠性高、誤碼率低；（4）使用短消息功能或GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸，費用比較低；（5）由于GSM/GPRS技術使用廣泛，提供相應通訊模塊的廠商較多，價格也比較合理。這里設計的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。其結構如圖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；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)技術或其它安全聯(lián)網(wǎng)技術連接到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)的設計
車載GPS智能終端利用單片機與GSM模塊聯(lián)合設計了一個符合經(jīng)濟型終端功能需求的硬件解決方案。其硬件系統(tǒng)結構如圖2所示。
3.1 主控單片機
主控單片機采用具有兩個串口的高性能單片機W77E58。在系統(tǒng)中，主控單片機負責接收用戶的手柄輸入信號和GPS輸入信號；對GPS信號進行計算，以獲得當前的經(jīng)、緯度坐標；接收并解析ITS中心發(fā)送的短消息命令，按命令進行上傳定位坐標、報警等操作；另外還負責把系統(tǒng)的運行狀態(tài)及ITS的信息通過液晶屏顯示出來。
3.2 GSM模塊
使用GSM模塊可以方便地利用GSM網(wǎng)進行通訊。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)或進行語音通話。GSM模塊硬件連接圖如圖3所示。
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GSM模塊與單片機之間采用標準的串行口進行通訊，通訊的最高波特率可以達到115200bit/s。GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIMDATA信號線進行數(shù)據(jù)通信。為了保證發(fā)送短消息與短消息到達之間的時間間隔盡量短，選用的SIM卡最好是同一個電信運營商提供的。在使用GPRS功能時，還需要選擇支持GPRS的SIM卡，并開通GPRS服務。GSM模塊還支持驅動兩路麥克風、兩路揚聲器和一路蜂鳴器。其中一路麥克風和揚聲器可以連到手柄的聽筒上，以實現(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，并計算出車載終端目前所在位置。采用的GPS模塊由變頻器、信號通道、微處理器和存儲單元組成。GPS模塊通過串行口向主控制器發(fā)送定位坐標；主控制器也可以向GPS模塊發(fā)送設置命令，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。一般在比較開闊的地區(qū)，需接收到三顆以上的GPS衛(wèi)星信號才能進行準確定位。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3.5A的尖鋒電流。電源模塊中還設計了后備電池系統(tǒng)，在車載電源不工作或被破壞時給車載GPS終端供電。在車載電源工作正常的情況下，后備電池會自動被充電。
4 車載GPS智能終端軟件系統(tǒng)的設計
首先介紹程序響應的中斷系統(tǒng)。由于單片機與模塊之間的通訊是不定期、不定長的通訊，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應的循環(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)。單片機還要響應另外兩個中斷：一個是報警按鈕被按下時觸發(fā)的中斷；另一個是定時中斷，它每20ms觸發(fā)一次，用于檢測GSM模塊的超時應答。
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)機的系統(tǒng)結構，其總體結構圖如圖4所示。其中，（a）為總體流程框圖，（b）為GSM報文處理部分流程圖，（c）為GPS報文處理部分流程圖。終端可以處于8種狀態(tài)：空閑、上傳定位信息、定時上傳定位信息、撥號、通話中、網(wǎng)絡無法連通、GPS無法定位、報警。狀態(tài)間的切換主要由ITS中心通過發(fā)送消息的命令報文控制。
程序工作時先進行初始化工作，然后進入主控制循環(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前的全球定位坐標，以供上傳坐標時使用。最后根據(jù)終端所處的狀態(tài)對終端進行操作，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。
實驗證明，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、使用維護費用低、通訊可靠等特點。但是，由于系統(tǒng)主要采用GSM系統(tǒng)的短消息進行通訊，因此無法做到實時通訊。在本系統(tǒng)的基礎上稍加改進就可以使用GPRS技術代替短消息進行數(shù)據(jù)傳輸，其“永遠在線”的特點可保證數(shù)據(jù)的實時傳輸。
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