车辆监控系统中车载GPS GSM双定位终端的设计

摘要：随着我国交通运输业的发展，车辆的跟踪监控在物流等行业显得越来越重要。车辆监控系统中，车裁定位终端多采用GPS技术进行定位，而GPS定位虽然定位精度高但存在盲点较多的缺陷。而基于GSM网络的位置服务恰恰能弥补GPS定位盲点较多的缺点，从而可以有效地克服GPS定位盲点多的缺点，故该定位终端集成了GPS和GSM网络两种定位方法的优点。实验结果表明，该定位终端可达到准确、实时、全天候、无盲点定位，大大提高了定位性能。
关键词：GPS定位；GSM定位；定位终端；STK卡

l 引 言
    随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，在交通运输的经营管理、合理调度、安全管理等方面GPS定位监控系统已经广为应用。GPS定位技术的应用给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。通过车载GPS接收机，使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过短消息形式将GPS定位信息发送给监控指挥中心，监控指挥中心便可将定位信息与电子地图匹配从而及时掌握各车辆的具体位置。但是GPS卫星定位时GPS天线要求对天空要有漏斗型的15°净空视角且受云层的影响大。对于交通运输等行业GPS跟踪导航来说，需要实时对车辆进行跟踪，故当GPS卫星信号由于建筑物及树木等的遮挡而使GPS无法进行正常的导航跟踪和定位。
    而基于GSM网络的位置服务恰恰能弥补GPS定位的这一缺点，并且GSM网络覆盖广无盲点且能将位置信息传送到远端。基于上述考虑，本文提出一种把GPS和GSM网络定位集成在一起的双定位终端，该终端结合了GPS和GSM网络定位的优点，克服了GPS定位盲点较多、GSM网络定位精度较低的缺点，性能明显提高。

2 系统概述
2．1 定位原理
    全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国新一代卫星导航系统，可为用户提供一种全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统，可提供实时的三维位置、三维速度和高精度的时间信息。GPS接收机通过接收其视线内的任意几颗卫星播发的导航信息，换算出自身的位置和时间信息。
    中国移动公司和中国联通公司都开通了位置服务功能。只要选用支持STK(SIM TOOL KIT)的SIM卡，并且当地网络开通了位置服务，即可通过STK命令得到位置信息。STK命令是一组开发增值业务的命令，一种小型编程语言，它允许基于智能卡的用户身份识别模块SIM运行自己的应用软件。STK卡就是带有STK功能的SIM卡。STK命令会因GSM模块生产厂家的不同而稍有差别，具体可以参考厂家的《STK命令用户手册》。
    GSM定位方法与GPS定位类似，在GSM网络中各个移动的基站位置已知，根据定位终端和各个基站之间通信时信号强弱等参数来确定定位终端到基站的距离，根据三个基站的位置和基站到定位终端的距离即可得定位终端的位置坐标。
2．2 监控系统简介
    定位系统由监控中心和车载定位终端两部分构成，车载定位终端中GSM模块不但与监控中心通过短消息进行通信之外还要通过sTK从移动运营商获得位置服务的信息。定位终端以短消息的形式将GPS位置信息或从GSM网络获得的定位信息发送至监控中心。监控中心集成GIS(Geographic Information System)地图，依靠接收的短消息中的定位信息来完成终端与电子地图的匹配及一些导航的指令等。监控系统的整体框架如图1所示。

3 车载双定位终端硬件的设计
3．1 车载终端硬件组成
    车载定位终端主要包括GSM模块、电源模块、语音模块、LCD显示模块、GPS一OEM板。定位终端采用单片机作为控制芯片。GSM模块则采用Siemens的TC39I GSM引擎模块，在车载终端中TC39I GSM引擎模块不但通过GSM网络获得定位信息，还要通过短消息的形式与监控中心进行通信。GPS一OEM板采用ASHTECH ACl2OEM板，该OEM板是美国THALES公司生产的功能最全、尺寸最小、功耗最低的专业级OEM板。ACl2不仅兼具GPS导航授时，还支持远端差分操作并且具有跟踪星基增强系统，以及精确的载波相位测量性能。GPS—OEM板是将GPS接收机的主要部件做成大规模集成芯片，并集成在一块电路板上。其结构如图2所示。

3．2 GPS一OEM板的工作原理
    GPS一OEM板主要由变频器、标频器、信号通道、微处理器和存储单元等组成。在完成初始自检后，GPS—OEM板将自动接收来自天线的GPS射频信号，在低噪声变频器中变频，由L频段的射频信号变成低频信号，再经过信号通道测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送出的导航电文，最后由中央处理器解算出被测点的三维坐标、速度、时间等信息，最后经由I／O口输出串行数据。
    GPS一OEM板的输入输出均遵循串行通信协议，都能输出符合NMEA_0183标准的ASCII码形式的数据信息。数据结构为8个数据位，1个起始位，1个停止位，无奇偶校验位。用户可以通过输入语句对GPS—OEM板进行初始化，设置数据格式、波特率以及输出语句种类等信息，而输出语句则是向用户输出GPS的各种数据信息。
3．3 整体硬件设计
    GSM模块和GPS一OEM板均采用串行数据通信方式与MCU有两个串口，分别为UARTl和UARTO实现通信，数据传输控制简单可靠。
    232电平转换部分用来进行TTL—RS232电平转换。电源模块为处理器、GSM引擎模块、GPS模块提供稳定的电压输出。外部控制部分主要作用是接受人工报警等外部控制命令。GPS一OEM板用来提供位置信息、时间信息等数据，单片机定时从GPS—OEM板提取位置信息或是通过GSM引擎模块依靠STK卡从GSM网络运营商提取位置信息，再通过GSM模块的短消息形式将数据发送至监控中心，GSM模块并向监控中心接收和发送短消息。接收的短消息经单片机处理可以以用户容易理解的符号显示在LCD屏上，也可以经语言模块转换成语音提示用户。硬件结构如图3所示。

    利用键盘对所测经度、纬度、时间进行粗略配置，可以缩短首次定位时间，实现迅速定位。并且可以通过键盘输入更改显示的定位信息，可以选择的信息有：经纬度、北京时间、海拔高度等。由于薄膜按键式键盘只需要一个I／0口，既节省资源又缩短了程序量，所以在本设计中选用薄膜按键式键盘。
    在硬件设计中由于GSM模块和GPS模块都含有射频模块，为避免干扰，两个模块应该尽量远离。可以放在PCB板的两边或者对角线的两个端点，实践证明这样的做法是行之有效的。

4 定位终端的软件设计
    系统软件设计主要包括初始化模块、数据处理模块、人机对话模块。考虑到GPS比GSM定位准确，所以定位时以GPS定位为主以GSM定位为辅。车载终端处在GPS盲点区域(如车库、林荫道等)无法定位时利用GSM进行定位。主程序流程如图4所示。

4．1 初始化模块
    主要是完成开机上电后对MCU、液晶显示模块、ACl20 OEM板的初始化工作。对于MCU要设置其串口工作模式、中断工作模式和波特率；对于液晶显示模块要设置开机画面和显示模式；对于ACl20 OEM板需要设置波特率成功完成串口通讯。
4．2 数据处理模块
    该模块主要是负责处理从GPS一OEM板接收的数据、从键盘输人的数据。ACl20 OEM板的输出语句的刷新频率为1 Hz，为了保证数据传输的可靠性和实时性，提高MCU的利用率，采用中断方式接收而非查询方式。
4．3 人机对话模块
    该模块主要是处理键盘输入和显示模块操作。在GPS一OEM板的初始化配置过程中，需要根据实际需求配置OEM板的语句设置，另外一项重要的工作完成MCU与液晶模块之间的数据通信和处理。

5 结 语
    由于GPS定位准确，GSM网络覆盖广无盲点，故该终端首选用GPS定位，当GPS无法定位时，启动GSM网络定位对车载终端进行定位，可克服单纯GPS定位或GSM定位的缺点，且成本较低。实践证明，本定位终端可以在城市高楼区、林荫道、车库内等因GPS卫星信号丢失而无法定位的地方启用GSM网络定位，从而提高定位的稳定性。它是一个能提供实时、准确、交互信息的系统，基本可实现准确且无盲点的定位，保障定位的效果。该系统在科技、经济和环保上都是完全可行的。