基于GSM的GPS车辆定位监控系统

    利用GPS(Global Positioning System)来作定位导航是GPS的最基本应用，随着我国城市建设规模的扩大,车辆日益增多,交通运输的经营管理和合理调度已成为一个广泛关注的问题,尤其是全球定位系统(GPS)从军用转为民用以后,GPS技术应用于移动目标的监控有着其他监控手段无法比拟的优势,所以采用GPS技术对各种车辆实施监控、调度管理是一个新的研究热点。

系统的总体结构与工作原理

    基于GSM的GPS车辆定位监控系统,是对车辆管理提出的较理想解决方案。该系统采用GPS技术对移动目标进行实时定位,利用GSM数字移动通信网络进行实时数据传输,以电子地图和空间信息系统为支撑平台,实现定位跟踪、监控报警、反劫防盗、指挥调度和信息查询管理。整个系统是由GPS卫星定位系统和地面移动通信系统两大部分组成,而地面移动通信系统是由指挥监控中心、车载移动单元和GSM通信网络三个部分组成。车载移动单元设备可以为指挥监控中心实时提供每一个移动目标的最新定位数据、运行状况和报警信息等,并自动记录这些信息以便事后查询分析，是用户终端。指挥监控中心结合GIS（Geographic Information System）电子地图,实时地显示出当前监控、指挥的车辆的地理位置。GSM通信网络则进行数据、语音、图像的传输。

系统监控中心

    系统监控中心结构如图1所示，主要包括GSM通信网络、GIS终端、电子显示屏、监控终端、主控计算机。监控中心接收车载移动单元传送来的车辆GPS定位数据信息，并对车辆的报警和调度信息进行处理，通过GIS地图匹配就能在电子地图上实时显示车辆当前精确位置，从而方便的实现对车辆的调度、监控、指挥等功能；同时也可通过GSM无线通信网络向指定的车载台发送各种控制指令，实现对车辆的远程控制和信息查询服务。

图1 GPS车辆监控指挥系统中心结构图

车载移动单元主要组成部分的设计

    车载移动单元是由主控制器CPU、GPS接收机、GSM无线通信模块、功能控制单元（手柄）和液晶显示屏组成，其结构原理如图2所示。

图2 车载移动单元硬件结构原理图

    车载移动单元通过GPS接收天线接收GPS卫星发射的定位信号，经过CPU主控器处理，计算出车辆的日期、时间、经纬度、速度和行驶方向等定位数据。主控制器CPU是核心，处理接收机发来的定位信息，将定位信息和监控中心发来的控制信息显示在液晶屏上，并控制GSM模块进行短信息的收发，手柄控制单元实现遥控监听、请求服务、中文短信息接收及通话等功能。由于GSM无线模块和GPS模块都以串口通信方式与MCU相连，因此硬件设计较简单，在本设计中MCU选择华邦公司的W77E58，是因为它带有两个串行口能同时与GSM模块、GPS模块进行通信，并且它的指令完全兼容MCS-51，片内有32k flash MTP ROM，可编程的看门狗定时器等，采用它可以省去很多外围元器件，提高了系统的稳定性。系统主控制器电路如图3所示。

GSM无线通信

   GPS车辆定位监控管理系统的通信方式有两种：专用无线通信网和公众GSM网。GPS/GSM车辆定位监控管理系统利用GSM短信息业务实现数据的双向传输，短信息业务在移动台和移动业务交换中心之间建立的是信令连接，具有优先权，可通率极高，误码率极低。这是GSM公众网带来的专用网和集群网无法比拟的好处。短消息用于车辆监控最大的优点在于建立连接简单，接续快，服务费用低，这适合定时把定位信息发送到监控中心。

图3 系统主控制器电路

图4 WM01-G900/1800外围电路设计框图

    在实际应用中，我们选用WM02-G900/1800。它的外围电路设计框图如图4所示，其相关的性能指标如表1所示。它与单片机之间采用标准的串行口进行通信，通信的最高波特率可以达到    115 200b/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。该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；另一路可以实现监听和免提功能，但这两路不能同时工作，如果在通话中需用免提方式，可以通过AT指令：AT+SPEAKER=0或1进行切换。

    WM02-G900/1800的I/O接口的逻辑电平是3V，当它与微控制器串口通信时，要进行电平转换，笔者在应用中选用MAX3237/3238进行转换，如果需用GPRS业务，也可以选择西门子公司生产的TC-45模块和索尼爱立信公司的GR47，它们支持GSM/GPRS格式的传输。

    控制WM02-G900/1800模块进行短信息的收发及语音通信是设计的关键，如果对相关的AT指令不熟悉就不能进行正确地设置，那么就会影响本系统的正常工作，带来难以预料的后果。

GPS接收机及其数据格式

    GPS OEM板用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。它由变频器、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。我们选择TFAG10 GPS RECEIVER。其性能指标如表2所示。

    TFAG10 GPS RECEIVER接收机语句的输入、输出是通过RS-232串行接口完成，符合美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其通信端口的数据格式应该设置为8个数据位、1个起始位和1个停止位；无奇偶校验；波特率为4800b/s。NMEA-0183通信标准的输出数据采用的是ASCII码，其内容包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状态等信息。语句有五种，对于不同的应用，选用的语句记录也不同，在本设计中只关心日期和时间、经纬度、地面速度，因此只选用RMC记录语句。一条$GPRMC语句包含13个记录：语句标识头、世界时间、定位状态、纬度、纬度方位、经度、经度方位、地面速度、地面路线、日期、磁偏角、校验和结束标记，它一共占用70字节(其中还包括用于分隔记录所使用的11个逗号)，例如:
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10

电源设计

   车载设备的电源设计中我们重点考虑如下问题：

● 充分考虑汽车电源的波动和脉冲干扰，选择合适的电源滤波器；
● 由于汽车电瓶有+12V和+24V，车载设备的电源应设计成宽输入电压（我们选择的电源模块的输入电压范围为7～35V）；
● 车载设备应选用低功耗器件和采取停车时使GPS模块和GSM模块断电等措施，最大限度地降低车载设备的功耗，以免汽车停车时间较长时损坏汽车电瓶。对50AH的汽车电瓶而言，如果车载终端的待机电流为140mA，则泊车时能坚持357小时约15天；
● 应采取过流、过压保护措施。

    在本系统中，我们采用LM2596系列开关稳压集成电路，其主要性能指标如表3所示。

    经实际使用证明，采用LM2596系列开关稳压集成电路作为本系统的电源模块不仅可以提高电源的工作效率，减少能源损耗，减少对核心器件的热损害，而且可减少外部汽车电平电压大幅波动对器件的干扰，同时可降低经电源窜入的脉冲干扰，这对保障系统的安全和可靠运行能起到事半功倍的作用。电源电路如图5所示。

    系统设备的工作方式

    设备安装好后首次通电，车载设备即开始工作。

    车辆熄火后，用户应用遥控器开启防盗功能，此时各防盗输入、车门开闭检测马上起作用，直到用户使用遥控器撤防。车辆的设/撤防凭借联动汽车尾灯与警笛进行确认。如设防时车门未关好，能通过声光提示。
通常，车载设备的GSM模块处于待机状态。当接收到中心的指令时，车载设备才依中心指令发送短信息。

    无论车辆在行驶中或正常停放，一旦车上的紧急报警按钮被按下，或医疗求助、交通救援按钮被按下，车载设备可立刻自动通过移动电话以短信息方式向中心报告位置及报警类型。而与车载设备相连接的防盗报警感应装置只有在车辆停驶并已经设防的情况下被触发后，才立刻自动通过GSM模块以短信息方式向中心报告位置及报警类型。

    车载设备可通过接收中心的熄火/点火及开、关车门指令，并通过联动配接的装置完成相应操作。

    手柄除具有正常的电话功能外。可用来设置车载设备所对应的短信息服务中心号码，报警监控中心与监控服务中心的短信息被叫号码，监听电话号码、设备ID号、密码，并且能中文显示接收到的短信息等。

    可通过遥控编程方式更改车载设备的ID编号、报警监控中心与监控服务中心的短信息被叫号、数据传输时间间隔、超速限制值、行驶区域限制值等。