“两客一危”GPS卫星定位系统车载终端设计

周永兵，朱靖玉

（长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

为了加强道路运输安全管理和运输车辆动态监管工作，预防和减少道路交通运输事故的发生，确保所有旅游包车、三类以上班线客车和运输危险化学品、烟花爆竹、民用爆炸物品的道路专用车辆（即“两客一危”车辆）能被企业、政府平台实时监控，包括监控运输车辆驾驶人超速行驶、疲劳驾驶等违法行为，实现道路运输科学发展、安全发展的有效手段，道路运输车辆监控系统已经逐步受到人们的重视，我国交通管理部门对这种车载终端的技术要求制定了严格的标准，这些标准将为车载终端的设计与实现提供了重要的技术依据。道路运输车辆监控系统包括车载终端、企业平台、各级政府平台和部级平台构成，这些构成部分通过通信网络进行连接。其中的每个部分都需要车载终端的参与，车载终端是安装在道路运输车辆上满足工作环境要求，具有卫星定位系统、移动网络接入、道路运输车辆行驶记录、道路运输车辆相关信号采集和控制，与其他车载电子设备进行通信，提供政府平台或企业平台所需的信息，完成卫星定位系统对车辆功能的装置[2]。因此，车载终端是道路运输车辆监控系统中非常重要的组成部分。本文所介绍的“道路运输车辆卫星定位系统车载终端”就是系统中车载终端的一个具体实现。下面详细介绍车载终端系统的功能与设计实现方法。

1 道路运输车辆卫星定位系统车载终端的功能

根据道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求[1]，车载终端应具有如下要求：1）车辆卫星定位；2）无线通信；3）车辆信息采集；4）报警，包括主动报警和自动报警；5）在必要时进行车内监听，及与上级平台进行通话。另外，车载终端还根据驾驶员需要实现了其他功能：1）电招服务；2）多中心接入；3）限制车辆行驶范围和行驶时间，监控车辆的行驶轨迹等。车载终端的这些功能使其特点适用于企业、政府的管理、调度等领域。

2 基于GPS—GPRS的系统设计

GPS车载移动终端采用在世界上领先的GPS全球卫星定位技术、无线通信技术以及计算机数据数据处理技术，可为用户提供多方位的、全时域空间定位信息，目前广泛应用于车辆防盗防偷、车载电话、车辆保险跟踪，远程遥控遥测、危险品车辆以及运营车辆监控监管、车辆故障管理等。

如何把定位数据信息发送给企业平台、政府平台一直是比较难解决的问题之一。以往的交通监控系统多采用集群通信系统实现车载终端与各级平台的通讯，但是这种系统具有覆盖局域小、安装维护费用高、技术复杂等缺点。近两年随着GPRS网络在中国的普及，车载终端通过GPRS网络与企业平台、政府平台通讯的方式已经成为最受欢迎的方式。GPRS通用分组数据业务，是一种基于GSM的移动分组数据业务，它的意义就是在GSM网络中引入分组交换能力，同时将速率提高到100kbps以上[4]。使用GPRS模块可以方便地利用GPRS网络进行通讯，主要有以下原因：1）GPRS利用分组技术，传输高速数据、低速数据和信令，使网络资源和无线频谱资源得到更好的利用；2）定义了新的GPRS无线信道，并更加灵活地分配这些信道；3）支持基于标准数据通信协议的应用，可以和IP网、X.25网互连互通；4）网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接；5）既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据传输[5]。其具体系统结构如图1所示。

图1 道路运输车辆卫星定位系统结构示意图Fig.1 The structure diagram of road transport vehicle satellite positioning system

首先车载终端通过北斗卫星定位获得自己在全国的坐标信息；然后以GPRS数据通讯方式把定位数据信息按指定的时间间隔发送到各级平台，同时车辆运载的状态信息、行驶记录信息、以及报警信息也通过GPRS网络传送给各级平台；各级平台的控制、监控、实时导航等也是通过GPRS网络发送到车载终端中，车载终端与各级平台的通讯符合专用的命令协议和数据交换协议，本命令协议采用TCP协议，数据交换协议采用JT/T 809-2011标准[6]；最后，省部级平台还可以通过VPN专用网技术或其他安全联网技术连接到下级平台，以控制、查看车载终端的状态信息。

3 车载终端硬件系统的设计

硬件基本设计思想是，整个硬件系统按照实现功能和硬件结构可以划分成2个硬件模块：主控板模块和存储模块。主控板模块主要有微处理器、GPRS模块、GPS模块、电源模块等部分组成，完成系统的主控功能，如视音频采集、处理和显示、网络控制、报警控制、卫星定位、行驶记录以及USB控制等功能；存储板模块主要实存储模块构成，实现存储介质安装和存储介质的替换。其硬件系统结构如图2所示。

图2 车载终端硬件系统结构图Fig.2 The hardware structure diagram of vehicle terminal

3.1 微处理器

主控微处理器采用的华邦公司的W78E516单片机；利用16C554AIPN芯片，将单片机的低8位数据总线扩展为4个串口；其中GPRS模块与A口相连，B口和C口分别通过RS-232电平转化芯片后，再通过5566插座控制外部的其他设备，如车载LED显示屏、摄像头等；而GPS模块直接与单片机的一个串口相连，而单片机的另一个串口则通过RS-232电平转换芯片后，与存储模块相连。在硬件系统中，主控微处理器负责接收用户的按钮输入信号和卫星定位输入信号；对卫星定位信号进行计算，以获得当前的经、纬度坐标；接收并解析各级平台发送的短消息命令，按命令进行上传定位坐标、报警等操作；另外还负责把车辆的运行状态及平台发布的命令信息通过液晶屏显示出来。

3.2 GPRS模块

本车载终端选用的 GPRS模块是 SIM300，SIM300是SIMCOM推出的GSM/GPRS三频模块，主要为语音传输、短信息和数据业务提供无线接口。集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品。外部系统连接器主要提供外部电源、RS-232串口、SIM接口和音频接口。支持GSM07.07和GSM07.05增强型AT命令集。它内嵌了TCP/IP协议栈，并简化了接口设计。屏蔽了GSM模块的复杂接口方式和接口协议栈，取而代之的是通用的232接口和简单的AT命令交互界面。它同主控制器以RS-232串行口的方式连接，并采用一定的波特率进行通信。主控制器可以通过AT命令控制GPRS模块使其发送短消息，使用GPRS传送数据或进行语音通话。

3.3 GPS模块

GPS模块用于接收GPS卫星信号，并计算出车载终端所在的位置。它由变频器、信号通道、微处理器和存储单元等组成。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模块需要专门的GPS天线接受GPS卫星信号才能进行准确定位。在车载GPS智能系统中把天线放置在车顶可以有比较好的定位效果。现选择REB3310。该模块具有低功耗、抗干扰能力强、扛遮挡能力强等特点，适用范围包括汽车定位导航、地图制作等。

3.4 电源模块

电源模块用于给系统中的其他模块供电。终端系统需要电源模块提供3路电压，分别为：3.6 V、5 V、3.3 V。其中，GPRS模块在发送和接收数据时需要的电流比较大（约为2 A），选用了National公司的LM2576电源芯片。它是一种PWM方式调制的高功率稳压芯片，可以提供高达3.5 A的尖锋电流。电源模块中还设计了后备电池系统，在车载电源不工作或被破坏时给车载GPS终端供电。在车载电源工作正常的情况下，后备电池会自动被充电。

4 车载终端软件系统的设计

基本设计思想是，采用面向对象语言C++开发，基于模块化模型，主要功能有系统初始化、建立GPRS连接、定位数据接收、车辆采集信息处理、接收各级平台下发的信息和向各级平台汇报信息等。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[7-9]，其总体结构图如图3所示。其中，（a）为总体流程框图，（b）为GPRS报文处理部分流程图，（c）为位置报文处理部分流程图。终端可以处于8种状态：空闲、上传定位信息、定时上传定位信息、拨号、通话中、网络无法连通、卫星无法定位、报警。状态间的切换主要由各级平台通过发送消息的命令报文控制。

图3 车载终端软件系统的总体结构图Fig.3 The software block diagram of the vehicle terminal

首先介绍程序响应的中断系统，由于微处理器与各个模块之间的通讯是不定期、不定长的通讯，为了保证不出现阻塞情况，系统采用中断接收方式：把接收到的所有数据在中断过程中放入对应的循环缓冲区之中，然后由主程序解析接收到的串口数据；同时微处理器还要响应另外两个中断：一个是报警按钮被按下时触发的中断；另一个是定时中断，它每20 ms触发一次，用于检测GPRS模块的超时应答。程序工作时先进行初始化工作，然后进入主控制循环。在主控制循环中首先检查GPRS数据缓冲区中是否有完整的GPRS数据包，如果有则进行解析，并根据协议中的控制命令改变终端所处的状态。接着判断位置信息数据缓冲区中是否有完整的位置数据包，如果有则取出并解析出当前的全球定位坐标，以供上传坐标时使用。最后根据终端所处的状态对终端进行操作，例如：终端处于上传定位消息的状态，则控制GPRS模块上传定位的消息；终端处于自动报警的状态，则控制GPRS模块上传报警的消息。

5 结束语

实验证明，“两客一危”GPS卫星定位系统车载终端可以较好地完成终端定位、与各级平台的通讯、车辆状态信息上传、报警等功能，并且具有成本较低、系统覆盖面广、使用维护费用低、通讯可靠、永远在线等特点。而且是设计成一个可以提供实时，准确，交互的信息系统，基本上实现了无盲区的定位，保障性的定位的效果。

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