GPS-GSM车载定位终端的设计

摘要:GPS车载定位系统利用GPS卫星定位系统和移动通信网络，再结合地理信息系统（GIS），构造车辆监控和管理的自组网络。本文介绍了基于单片机MSP430F149的GPS-GSM车载终端的设计，重点给出了系统的硬件设计方案和硬件结构，并介绍了该终端软件设计的总体思路。 关键词：全球定位系统；全球移动通信系统；车载定位终端；设计 Design of the On-Vehicle GPS-GSM Location System Terminal Abstracts：GPS location vehicle system is located on Global Position System (GPS) and Global System for Mobile communication (GSM). Combine with Geography Information System（GIS），we can buildup a self-built net of vehicle management and watching system. This article introduces the design of the GPS-GSM location system terminal with both the hardware and software, in which the hardware design is emphasized. Key words: GPS; GSM; vehicle location system; design 1 引言 车辆在我国越来越普及，车辆的安全管理问题也因此越来越受到关注。目前，我国很多部门和系统中的车辆都缺乏有序的管理，甚至呈现比较混乱的局面。比如在邮政系统中，利用邮政车辆私运货物的现象较为普遍地存在。在公交、出租、客运等行业，同样存在着对车辆进行协调、管理、调度、监控等要求。GPS车载定位系统利用GPS的全球定位能力和现有移动通信网络（GSM或GPRS）的双向数据传输能力，从而能够实现调度中心对车辆的跟踪定位、管理调度以及安全监控。典型的车载定位系统主要由定位终端和监控中心两部分组成。其中车载终端是整个系统设计的关键。本文介绍作者参与的GPS车载定位系统中车载定位终端的设计。该终端已经得到了一定的应用。本终端在设计上采用新颖的双CPU设计，有效地解决了终端难以长时连续运行的问题。 2 系统硬件结构 车载终端的主要功能包括两个方面，一是通信功能：能够利用终端获取来自监控中心的各种信息，这些信息绝大部分是中心对终断发出的指令，而终端也必须能够迅速地对中心做出回应并给出报告；二是监控：获取中心的命令后，终端要能够根据指令的要求对车辆的状况作出检测，并在需要时对车辆加以控制。对于通信功能，终端主要通过一个OEM的工业手机模块来实现，利用该模块不仅能够满足这一功能需求，配合一个车载手柄，能够完全实现一个车载手机的功能，用户可以利用该手柄任意收发短讯或拨打、接听电话，而并不仅仅局限于终端同中心之间的通信。对于监测功能，中心所需的绝大部分信息来自终端带有的一个全球定位系统（GPS）模块，该模块能够提供终端（也即车辆）所在的时间、所处的地理位置、行驶的速度和方向等信息。另一部分中心所需的信息，部分利用专用传感器，如油箱内油量状态和使用情况的探测，部分则简单的通过一个模拟信号接入端口来实现，如车门的开闭、发动机是否启动等。终端对车辆控制的则利用一组继电器，通过输出不同电平进行控制，作者设计的车载终端还可以与市场上现有的各种车载防盗器相连，进一步加强对车辆的监测和控制功能。当系统所实现的功能稍微复杂时，终端还会集成一个存储器模块(一般使用FLASH模块)，用于实现固定信息的存储和行驶轨迹的记录，并能够通过一个RS232接口实现对该存储器的读写，此举也能够节省一笔通信费用。 图1 车载终端的总体结构框图 以上所提到的GSM模块、GPS模块、车载手柄以及防盗报警器以及FLASH，通过一片高性能的单片机作为控制器，即可实现对它们的全面控制。控制器通过UART口分别编程控制GSM、GPS和手柄，利用通IO口实现状态输入和控制输出，并实现和防盗报警器的互联，利用AD通道接入传感器。需要说明的是，多数单片机只有一个或二个串口，本系统控制三个模块需要三个串口，同时还须为FLASH扩展一个232接口，因此有必要对串口进行扩展，或者通过复用的方式编程实现，后者难度稍大一些，本系统采用的后一个方案。方案中还采用了一个小型CPU来对系统控制器进行管理，在文中稍后予以详细说明。 图1所示为作者设计的车载定位终端硬件设计框图。 3 硬件的选择 3.1 控制器的选取 MSP430F149是TI公司生产的一种Flash型超低功耗16位单片机，具有处理能力强、运行速度快、可靠性高等特点，能适应工业运行环境，特别适合于电池应用的场合或手持设备。在控制器的资源方面，MSP430F149带有两个UART口。其中UART0供GPS和手柄进行复用，同时扩展的232接口也用这个串口，UART1用于GSM模块；MSP430F149还带有12位AD通道，方便模拟信号接口的设计。综上，我们选择MSP430F149作为系统的主控制器。 3.2 GPS模块 本车载终端采用的GPS模块是Holux GR-85，支持NMEA0813 V2.2版本数据协议即输出数据为ASCII码。具体含义可参考其应用手册。数据输出格式采用推荐定位语句：RMC语句。该定位语句数据包涵时间、经纬度、速度、方向以及定位数据是否有效等参数，定位数据的刷新频率是1Hz。 3.3 GSM模块 终端采用Siemens公司的TC35I工业GSM模块，该模块的接口为40芯的ZIF连接器。其接口电路主要包括电源和启动电路、RS232接口、SIM卡连接口、语音接口等几个部分。另外模块带有一个50Ω的天线连接器。 图2 SIM卡连接电路 4 设计的要点 4.1 SIM卡的连接 系统中，TC35I模块工作在4.5V电压下，系统上电后必须在ZIF连接器的15脚（/IGT）加时长100ms以上的低电平，且信号的下降时间应小于1ms，否则模块不能正常启动。启动后15脚应保持高电平。启动后终端便可向模块串口发送AT指令对模块进行控制实现初始化、短消息发送、语音通话等功能。模块提供了ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口，额外的CCIN引脚用于指示SIM卡是否连接上，由于目前移动运营商所提供的SIM卡均不提供该信号，所以在设计电路时将CCIN与CCVCC相连，考虑到对语音质量的影响，SIM卡的CCGND端通过电容和电感耦合到GSM地，为SIM卡提供一个隔离地，以屏蔽其它信号线对SIM卡的影响。图2给出了SIM卡的连接电路。 4.2 双CPU设计 GPS终端工作在车载条件下，电源取自车辆蓄电池，在点火、熄火等情况时常常受到较大的冲击，为了隐蔽防盗还常常将终端塞进车辆前控制台内部，或放入后备箱深处，受到车辆电路的电磁干扰非常严重，且环境温度也较高。在如此恶劣的环境下，要想保证系统不会死机，必须采取一定的措施。本系统采用了双CPU设计，由一块从CPU芯片对MSP430F149进行管理，其作用是：1充当硬件看门狗，在一个设定的时长之内不能同主CPU握上手，则重启系统；2管理整个系统的电源，该从CPU可以切断或接通系统其它部分的电源；3系统长时间运行时，在检测到系统空闲条件下定时给系统断电重启，以保持系统长期运行的稳定性。 5 系统软件设计 5.1 模块的软件控制 单片机对GSM模块TC35I的控制，是通过向其串口发送AT命令来实现的。每款模块都有对应的AT命令集。通过单片机UART口发送具体AT命令的ASCII码。例如设置短信中心号码AT+CSCA=“+8613800731500”，要发送一条内容为“ABCD”的短信息，首先设置短信发送为TEXT模式AT+CMGF=1，然后发送对方号码AT+CMGS=“XXXX(目的号码)”，等模块返回正确信息后，再发送短信内容ABCD。本系统中除了使用车载手柄发送中文短信时必须采用PDU模式，绝大部分情况下的命令和数据的收发都不涉及中文字符，因而采用TEXT模式。 图3 系统初始化模块 单片机对GPS的控制并不复杂，只需定时或在需要时向模块串口读取定位数据即可，定位数据采用默认的推荐定位信息$GPRMC格式语句，具体形式为$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh，其中<1>至<12>为信息内容，包括经度、纬度、速度、方向等，并以逗号隔开，hh为整个语句的校验和。如果系统需要GPS信息，便会在检测到RMC语句出现时，读取其有效信息部分。 5.2 终端系统软件设计 终端软件设计与终端所实现的功能密切相关。本系统设计的功能较为复杂，系统软件所遵循的流程大致为：初始化——〉语音功能处理——〉短信命令读取——〉手柄命令获取——〉命令执行——〉车辆状态监控——〉短信报告发送。也就是说，系统在初始化后，循环对语音通道的使用状态、短信命令和手柄命令的送达进行检测，一旦监测到由语音请求(或中断请求)、短信命令或手柄命令到达，系统将执行该命令，并向中心返回报告。有些命令的执行可能需要循环执行，如定时每分钟向中心报告位置信息500次、定时向FLASH中记录行驶轨迹等命令。因此在没有命令送达时系统仍然根据状态标志的判断来继续执行或终止终端之前接受的命令。系统同时要负责对车辆的安全状况和行驶状况进行监测，如在开启围栏功能时，车辆在进出入某一围栏区域是都要对中心进行报告，开启路线功能时，车辆一旦偏离路线也要向中心汇报，等等。此外，终端还须实现一系列功能，这些功能并不容易用一个简单的流程表达清楚，例如，外部命令要求读取FLASH中的历史轨迹数据，或外部计算机向终端FLASH写入围栏和路线数据，实现这些功能时，终端可能暂停其它功能的执行，直至操作完毕时再继续执行这些功能。 系统的总流程篇幅过于庞大，这里给出其中一个模块:初始化模块的功能流程，如图3所示。 6 结束语 GPS车载定位系统已经得到了一定程度的应用，该项技术与地理信息技术（GIS）以及数据库技术等相结合，能够实现监控中心对车辆的可视监控。在中心的电子地图上可以清晰地显示每一辆车的位置