GPS ／ GPRS 车载监控终端的设计与实现
近年来，随着汽车的普及和道路的建设，城际间的经济往来更加频繁，活动的区域也越来越大，由此产生了交通拥挤、车祸增加、废气排放量增加等严重问题。智能交通系统 (Intelligent Transport System) 的出现有效地改善了以上各种交通问题。车载监控系统是智能交通系统的一个分支，它集先进的无线定位技术、地理信息系统和现代移动通信技术于一身，不仅在智能交通系统中担负主要作用，同时还能提供防盗防抢劫报警、紧急医疗求助、娱乐等多种服务。这些都促使各研发机构大力开发车辆监控系统，本文就选取整个系统中的车载终端模块进行设计与实现。
1 车辆监控系统总体结构
整个系统由 GPS 卫星、车载终端、通信网络 (GPRS 和 Internet) 和监控中心组成。车辆在运行过程中，车载终端的 GPS 接收机接收定位数据，计算出车辆当前的经度、纬度、速度、航向和其他信息 ( 时间、状态 ) 等，然后通过 GPRS 网络传送到具有静态 IP 地址的监控中心，并存人中心数据库。监控中心在接到车辆上传的信息后，根据车辆的当前状况科学地进行调度和管理，从而提高运营效率。客户也可以通过 Internet 或电话来查询特定车辆的当前状况。系统的总体结构如图 1 所示。
2 车载终端的功能
车载 GPS ／ GPRS 终端的卫星接收模块采集到 GPS 卫星数据，经过数据处理得到车辆的地理坐标信息。该信息通过车载终端处理之后，由 GPRS 无线通信模块发送到 GPRS 无线通信网上。 GPRS 网络根据相应的协议在车载终端和接人 Internet 网的监控中心之间建立一条支持 TCP ／ lP 的数据通道。车载 GPS ／ GPRS 终端依靠该数据通道和监控中心之间进行信息的交互。监控中心还可以通过该通道向下发送控制命令和服务信息。另外，除了车辆定位，系统还可以提供诸如防盗防抢、对移动车辆进行断油断电、显示调度信息、医疗求助、移动电话等多种服务。
3 车载终端硬件设计
车载终端硬件系统以单片机和 GPS+GPRS 模块为核心，属于经济型功能终端，其结构如图 2 所示。
3.1 信息处理和控制模块
采用 AVR 系列的单片机系统，主要功能是进行信息处理和控制车载台的各组成部分按照通信协议的要求执行响应的操作。该模块由 CPU 、外部存储器、 I ／ O 接口以及控制逻辑电路组成。其中 CPU 采用 ATMEGA64(L) 单片机实现，它是基于增强的 AVR RISO 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器，曲于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATMEGA64(L) 的数据吞吐率高达 1 MIPS ／ MHz ，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该单片机具有两个串口，分别用来与 GPS 和 GPRS 模块通信。
3.2 GSM ／ GPRS+GPS 模块
采用 SIMCOM 公司的 SIM508 模块。 SIM508 模块是一款将三频 GSM ／ GPRS 和具有 20 通道能力的 GPS 完全整合到一个模块中 ( 34 mm × 55 mm × 3 mm ) 的产品。该产品的设计完全满足车载应用环境要求 ( 温度、湿度、防震等 ) 。特别地，整合了附加元器件的 SIM508 可以节省很多时间和成本。 SIM508 支持 NMEA-0183 ， SiRF binary 和 RTCM SC-104 三种 GPS 数据格式，能够满足不同的设计要求。车载终端通过模块中的 GPS 部分获得车辆的具体位置，经过 CPU 处理后，显示给用户并通过 GPRS 部分将该信息发送到监控中心，以实现对车辆的实时定位跟踪，同时还能实现语音和短消息通信功能。
3.3 输入输出模块
输出通过 12232F 液晶模块实现，可以显示图形，也可以显示 7.5 × 2 个 (16 × 16 点阵 ) 汉字，与外部 CPU 接口可以采用并行或串行，考虑到编程的简易性，本车载终端采用串行接口连接。
车载终端的输入有两种方式：遥控器输入 ( 主要输入设备 ) 和手柄输入。考虑到紧急情况下手柄输入的局限性，这里采用遥控器作为主要输入设备，可以用来完成语音拨号、收发短消息、医疗求助、维修求助、启闭设备等功能。手柄装置包括确认、返回和上、下翻动四个功能键，为方便用户输入而设计。
4 车载终端软件设计
本软件系统采用模块化设计方法，每个模块实现一个功能或一个协议，各功能模块以子函数形式出现，缩短了软件开发时间，易于程序修改和移植，同时，在编写软件时，还留有一些软件应用接口，便于软件升级，如增加新协议。软件系统功能模块如图 3 所示。
4.1 系统工作流程
车载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，其工作流程如图 4 所示。
程序工作时先进行 GPS 和 GPRS 串口初始化工作，然后进入主控制循环。在主控循环中，先识别 GPS 数据是否有效，即定位是否成功，定位成功则系统转到下一个状态，建立 GPRS 连接，否则重新定位。建立好 GPRS 连接后便可以向监控中心发送处理后的定位数据。同时，主程序运行的过程中，还能响应遥控器输入中断请求，以便实现其他功能。
4.2 软件系统协议栈
借鉴于 OSI 模型和标准的 TCP ／ IP 协议栈，本系统采用四层网络传输协议：传输层、网络层、数据链路层和物理层。系统协议栈结构如图 5 所示。
考虑到车辆监控系统中几十、几百甚至上千个车载终端的情况，对于这种多点分散、数据量小、实时性要求高、终端数量多的应用，传输层采用 UDP 比 TCP 会更好一些。 IP 协议作为网络层协议，主要是将数据流切割成适当的大小，然后将这些数据包通过选择路由，利用不同的路由来传送到目的地 IP 。在物理层之上， PPP 协议作为 GPRS 在物理层之上的惟一指定的数据链路层协议，通过 CRC 校验、确认等手段将原始的物理层连接改造成无差错的数据链路。 PPP 协商成功后，系统将成功远程登录 Internet ，并得到网关分配给自己的 IP 。终端与网络之间的物理层通道就是 GPRS 连接。具体的 GPRS 协议都已被做在 GPRS modem 中，通过数据端对 GPRS modem 正确的 AT 指令设置后，就可以用 AT 拨号指令进行拨号连接，当收到 GPRS modem 的拨号反馈应答后，一条物理通道即 GPRS 信道就在本终端中和网络之间建立起来了。
5 结 语
介绍了基于 GPS ／ GPRS 的车辆监控系统终端的一种实现方案，并给出了详细的软件及硬件组成和设计实现，经多次测试系统稳定，效果良好。该系统可以应用手指挥监控系统、城市租赁汽车管理系统、物流运输系统、医疗救护系统等领域，市场前景极为广阔。
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