GPS與GPRS在車載無線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

張玉龍，林春麗

（遼寧科技大學(xué) 遼寧 鞍山 114051）

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，對車輛的調(diào)度、實時監(jiān)控的技術(shù)的要求越來越強(qiáng)烈。GPS和GPRS以及嵌入式技術(shù)的日益成熟，將實現(xiàn)這一愿望成為了可能。本文所研究的車載監(jiān)控系統(tǒng)，可以對移動機(jī)車進(jìn)行定位，并通過CAN總線采集移動機(jī)車現(xiàn)場的情況，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的PC中，從而實現(xiàn)了無線監(jiān)控的功能，為進(jìn)一步實現(xiàn)全自動化、無人駕駛提供了前提條件。本設(shè)計的特點就是基于移動通信的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊載體，與無線電臺、Wifi、藍(lán)牙、Zigbee等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈相比，造價更低，覆蓋更廣。另外利用GPRS網(wǎng)絡(luò)可以方便的進(jìn)行語音、文字、圖像等多種形式的信息交互，也更容易推廣。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點

系統(tǒng)主要由核心微處理器模塊、GPS模塊、人機(jī)交互模塊、CAN通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、GPRS模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of system

系統(tǒng)以STC12LE5A60S2單片機(jī)作為核心，通過串口與GPS模塊通信實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的采集，用SD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，CAN總線實現(xiàn)現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸[1]。

本系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

1）應(yīng)用GPS OEM模塊接收地理位置信息，實現(xiàn)簡單，成本降低，有利于系統(tǒng)升級和二次開發(fā)；

2）以GPRS模塊構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時監(jiān)控；

3）模塊化的程序設(shè)計增強(qiáng)系統(tǒng)軟件的可移植性，易于調(diào)試和檢驗；

4）采用按鍵、LCD構(gòu)成人機(jī)交互模塊，使系統(tǒng)的操作和使用更直觀，更人性化；

5）系統(tǒng)更新方便。只需要PC通過RS232接口就可以進(jìn)行系統(tǒng)軟件的更新。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件主要由傳感器模塊、GPS模塊、微處理器模塊、SD卡存儲模塊、按鍵、顯示模塊、CAN總線模塊和串口通信部分組成。

2.1 單片機(jī)核心模塊

本系統(tǒng)由STC12LE5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技推出的一款超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)。擁有1280B內(nèi)部RAM和60KB的Flash，1KB的EEPROM，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，8路高速A/D轉(zhuǎn)換，2個獨立的串行口，多種省電模式。其豐富的內(nèi)部資源有利于本系統(tǒng)的設(shè)計。2個串行口可以分別與GPS和GPRS模塊通信，而無需另外擴(kuò)展。

2.2 GPS-OEM模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)接收GPS衛(wèi)星的地理位置和速度信息，與其他信息結(jié)合在一起就可以表明不同地塊的土壤和產(chǎn)量情況。

本設(shè)計選用的是上海合眾思狀的新月HC12A模塊。該模塊是一款單頻12通道、L1載波輸出接收機(jī)，具有20 Hz的原始數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)更新率，信標(biāo)接收功能，WAAS功能、單機(jī)定位精度小于2.5米，3個全雙工串口等多種功能，支持NMEA 0183、SLX binary、RTCM SC-104數(shù)據(jù)格式輸入輸出。

GPS接收機(jī)可以輸出NMEA語句，內(nèi)含GPS信息。常用的語句有GGA、GSV、GSA、RMC等。從這些語句中我們可以得到經(jīng)緯度、海拔高度、速度、UTC時間、GPS定位精度、當(dāng)前衛(wèi)星狀況等信息[2]。NMEA語句的格式為：

$GPXXX，<1>，<2>，<3>，…， *hh

語句以$GPXXX開頭，其中XXX代表語句名稱，可以為GGA等；<1>～代表不同的信息；“hh”為兩個字節(jié)的CRC校驗碼；語句以回車換行符結(jié)束。

接收機(jī)在上電后需要進(jìn)行初始化設(shè)置。其常用的設(shè)置命令有：

$JBAUD ；波特率設(shè)置

$JASC，GPXXX ；NMEA語句輸出控制

$JRESET ；對接收機(jī)進(jìn)行復(fù)位

$JSAVE ；保存當(dāng)前設(shè)置

在本設(shè)計中，波特率一般選擇為9 600 bps。當(dāng)系統(tǒng)第一次上電時，系統(tǒng)會自適應(yīng)的監(jiān)測到接收機(jī)的波特率，然后可以根據(jù)用戶的需要改變波特率。

2.3 BENQ M23 GPRS模塊

M23模塊是BenQ公司生產(chǎn)的高性能通信模塊，主要由基帶處理器、射頻模塊、閃存、電模塊、天線接口、SIM卡接口等組成。作為M23的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。支持AT指令，支持EGSM900/DCS1800/DCS1900協(xié)議，支持GPRS CLASS B，提供1個上行道和4個行道。其內(nèi)部集成了嵌入式TCP/P協(xié)議，可以進(jìn)行透明與不透明的傳輸。

硬件連接完成后，在進(jìn)行GPRS上網(wǎng)操作之前，首先要對GPRS模塊進(jìn)行一定的設(shè)置。主要的設(shè)置工作有：

1）設(shè)置通信波特率?？梢允褂谩癆T+IPR=115 200”命令，把波特率設(shè)為115 200 bps或者其他速率。SIMCOM模塊默認(rèn)為 115 200 bps。

2）設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)，通過 AT+CGDCONT=1， “IP”， “CMNET”命令設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動夢網(wǎng)。

3）設(shè)置移動終端的類別，通過AT+CGCLASS=“B”設(shè)置移動終端的類別為B類，即同時監(jiān)控多種業(yè)務(wù)；但只能運行一種業(yè)務(wù)，即在同一時間只能使用GPRS上網(wǎng)，或者使用GSM的語音通信。

4）測試GPRS服務(wù)是否開通，使用AT+CGACT=1，命令激活GPRS功能。如果返回OK，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗。這時應(yīng)檢查一下SIM卡的GPRS業(yè)務(wù)是否已經(jīng)開通，GPRS模塊天線是否安裝正確等問題。

中國移動在GPRS與Internet網(wǎng)中間建立了許多相當(dāng)于ISP的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點（GGSN），以連接GPRS網(wǎng)與外部的Internet網(wǎng)。GPRS模塊可以通過撥“*99***1#”登錄到GGSN上動態(tài)分配到Internet網(wǎng)的IP地址。其間GPRS模塊與網(wǎng)關(guān)的通信要符合點對點協(xié)議（Point to Point Protocol，PPP），其中身份驗證時用戶名、密碼都為空。使用PPP協(xié)議登錄上之后，就可以通過GGSN接上Internet了。

GPRS模塊實現(xiàn)TCP連接的AT指令主要操作步驟：AT

AT+ccid //檢測是否裝有SIM卡

AT+cgmr

//檢測軟件版本，5.0以上的才有GPRS功能支持

AT+csq

//檢測信號質(zhì)量，確定是否可以登陸上網(wǎng)絡(luò)；若返回10——31，0之間的信號數(shù)字則繼續(xù)，如果信號是99，99，則應(yīng)該考慮不停的的讓模塊去搜尋網(wǎng)絡(luò)。

AT+CGCLASS="B" //設(shè)置模塊工作類型

AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"

AT+CGATT=1 //激活 PDP，獲得 IP

AT+CIPCSGP=1，"CMNET"

AT+CIPSTART="TCP"，211.147.18.79，1433

AT+CIPSEND

//返回“>”后輸入要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再發(fā)送CTRL+Z，即將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定IP的服務(wù)器上

AT+CIPCLOSE

//只有在TCP/UDP處于CONNECT OK的狀態(tài)下才返回OK，否則返回ERROR

AT+CIPSHUT //關(guān)閉移動場景

2.4 人機(jī)交互模塊

這部分由鍵盤和LCD液晶屏組成，主要用于參數(shù)設(shè)置和界面顯示?？稍O(shè)置采樣頻率、存儲周期、故障門限、GPS OEM的輸出波特率、NMEA語句選擇、控制系統(tǒng)的啟停和數(shù)據(jù)上傳等。本設(shè)計使用的是液晶屏128×64的LCD，按鍵采用直接連接的四個按鍵，操作簡單，效果直觀。硬件接口也非常方便。4個按鍵功能分別是：翻頁、移位、確定、設(shè)定。LCD顯示按分屏實現(xiàn)，分為數(shù)據(jù)顯示屏、變量控制屏、參數(shù)設(shè)置屏、系統(tǒng)狀態(tài)屏等多界面操作。在不同界面，按鍵對應(yīng)不同的功能。這樣可以較少的硬件資源實現(xiàn)更多的功能。

2.5 CAN總線通信接口

本系統(tǒng)需要同其它現(xiàn)場檢測模塊進(jìn)行通信獲得例如產(chǎn)量、故障等信息，這主要通過CAN實現(xiàn)。這部分電路由CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器82C250和兩片光耦6N137構(gòu)成。在通信時相當(dāng)于單片機(jī)訪問外部存儲器，當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時，有中斷到MCU。其接口如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與CAN接口電路Fig.2 Circuit of interface between CAN and MCU

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)程序

各模塊均按結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想進(jìn)行設(shè)計，有利于系統(tǒng)的軟件的維護(hù)和移植，尤其是通信模塊、溫濕度顯示模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，只需修改相應(yīng)參數(shù)，便可適用于不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。

系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

3.2 監(jiān)控主機(jī)程序

監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)程序主要實現(xiàn)了PC機(jī)與監(jiān)控系統(tǒng)的簡單通信，采用Visual Basic 6.0進(jìn)行程序編寫。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)[4-6]傳到PC主機(jī)，存儲到Excel數(shù)據(jù)庫中，為以后的數(shù)據(jù)處理提供前提條件。還可以用語音與現(xiàn)場操作人員直接交流，分配任務(wù)等。

4 結(jié) 論

圖3 系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of system program

本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試，軟硬件均可正常運行，可以正常同其他CAN總線設(shè)備通信，實現(xiàn)實時顯示現(xiàn)場的數(shù)據(jù)的功能，將GPS信息其他車載信息，通過GPRS模塊上傳到PC機(jī)經(jīng)上位機(jī)軟件轉(zhuǎn)存到Excel中，最后可以導(dǎo)入到GIS軟件[7]（如ArcGIS）中進(jìn)行后處理。系統(tǒng)還可以通過M23模塊進(jìn)行實時語音、短消息等多種方式進(jìn)行通信。本系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用在長途大巴車無線監(jiān)控系統(tǒng)、出租車/公交車管理系統(tǒng)、物流車輛管理系統(tǒng)等需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的各個領(lǐng)域。

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