基于GPRS和基站定位的城市公交監(jiān)控裝置

王肖楠 ，張興波 ，李炳祥

（1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083；2.北京國(guó)際系統(tǒng)控制有限公司，北京 100083）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市人口快速增長(zhǎng)，城市公共服務(wù)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施面臨巨大考驗(yàn)。作為承擔(dān)著城市基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)的公交系統(tǒng)，其高效的運(yùn)營(yíng)和服務(wù)將很大程度上解決城市交通問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPRS[1]和基站定位的公交監(jiān)控裝置。該裝置將采集到車(chē)輛運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心下發(fā)的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)輛的定位和監(jiān)控。本設(shè)計(jì)在完成總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成了裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 GPS定位與基站定位的比較

基于GPS的定位系統(tǒng)在天氣不佳時(shí)，特別在高架橋下、高樓邊角和隧道等地，其定位效果會(huì)受到相當(dāng)大的影響，甚至無(wú)法進(jìn)行定位。而在這種情況下往往最容易發(fā)生交通阻塞，最需要準(zhǔn)確定位和調(diào)度服務(wù)發(fā)揮效用。GPS加其他輔助手段的定位方法雖然可以提高定位精度，但卻提高了設(shè)備成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本[2]。而基站定位不但能耗低，不受天氣、高樓的影響，且在人口越密集的地方，基站往往越多，定位更準(zhǔn)確；而在基站少定位不準(zhǔn)確時(shí)，還可利用公交線路相對(duì)固定的特點(diǎn)通過(guò)軟件改善來(lái)修正定位信息。

2 總體方案

本設(shè)計(jì)采用基于ARM9處理器[3]的嵌入式系統(tǒng)，利用Linux操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)具有定位追蹤功能的監(jiān)控裝置。該嵌入式平臺(tái)資源豐富,技術(shù)成熟,有良好的可擴(kuò)展性，在需要時(shí)能進(jìn)行功能模塊的添加和升級(jí)。裝置采用S3C2440為主控制器，外擴(kuò)Nand Flash用于程序存儲(chǔ)器，SDRAM為內(nèi)存，LCD和按鍵作為人機(jī)交互接口，配合帶有基站定位功能的GPRS模塊SIM900，實(shí)現(xiàn)采集公交車(chē)位置、車(chē)廂溫度、乘客人數(shù)、運(yùn)行速度等信息，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息傳送到監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心的下行指令。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器模塊

S3C2440是三星推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32 bit RISC嵌入微處理器，集成了豐富的片上資源，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以減少外圍的設(shè)備部件，以降低系統(tǒng)的成本。本設(shè)計(jì)使用2片HY57V561620FTP作為SDRAM，使用的Nand Flash為K9F1G08芯片。

微控制器通過(guò)異步接收/發(fā)送裝置UART2和SIM900進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中，SIM900的引腳RXD用于接收由S3C2440的引腳UART2_TXD傳出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終由SIM900發(fā)出；引腳TXD用于向S3C2440的引腳UART2_RXD發(fā)送數(shù)據(jù)。

RS485總線是一種常見(jiàn)的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米、多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。S3C2440的UART1通過(guò)RS485轉(zhuǎn)化電路形成485總線。如圖1所示，溫度傳感器、公交讀卡器和報(bào)站器都接在485總線上，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，微控制器將采用問(wèn)答形式獲得公交中的溫度、人數(shù)以及站點(diǎn)等數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS模塊

SIM900是SIMCom推出的一款新型無(wú)線四頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器。SIM900采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令。本設(shè)計(jì)采用的SIM900帶有基站定位功能，定位信息通過(guò)AT指令獲得。

設(shè)計(jì)中設(shè)置S3C2440的通用I/O口GPB8為輸出，上電后通過(guò)把SIM900的PWRKEY信號(hào)拉低一段時(shí)間然后釋放來(lái)啟動(dòng)GPRS模塊。在SIM900模塊內(nèi)部，PWRKEY引腳通過(guò)100 kΩ電阻上拉到3 V電壓域。為了防止PWRKEY與微控制器I/O口直連導(dǎo)致串電，在模塊與微控制器I/O口間采用三極管隔離，增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)可靠性。

圖2為SIM900與SIM卡的連接原理圖。為了增強(qiáng)SIM卡部分的可靠性，SIM卡的所有信號(hào)線都通過(guò)連接TVS二極管來(lái)做靜電(ESD)防護(hù)。設(shè)計(jì)中采用ESDALC6V1芯片作為ESD保護(hù)。SIM卡電源引腳SIM_VCC并接220 nF電容，以穩(wěn)定電源輸出，減小波紋。在PCB布局時(shí)，應(yīng)使SIM卡卡座盡量靠近模塊，圖2中的電容、ESD等器件放置也應(yīng)靠近SIM卡座。

3.3 電源模塊

該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于電源部分。SIM900工作在3.4 V～4.5 V之間，由于模塊射頻發(fā)射時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2 A以上，可能導(dǎo)致供電電源電壓跌落。因此，電源供電能力要盡可能達(dá)到2 A，以保證電壓不會(huì)低于GPRS模塊的工作電壓。設(shè)計(jì)中選擇可調(diào)輸出電壓芯片LM2576，LM2576輸出電壓范圍為 1.2 V～37 V，瞬間可以通過(guò)的最大電流達(dá)到3 A，符合電路要求。電源模塊電路如圖3所示。S3C2440控制器模塊需要的1.25 V、1.8 V和3.3 V電源都由LM2576提供的5 V電源轉(zhuǎn)化輸出，如圖4所示。為了增強(qiáng)模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌、脈沖群、靜電等），避免在外界環(huán)境比較惡劣的情況下出現(xiàn)模塊供電異常，在外部電源輸入端并入 470μF和 0.1μF電容，在VBAT供電芯片輸出端并入470μF電容，以濾除干擾。

SIM900模塊從上電到注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)期間，射頻發(fā)射功率相對(duì)偏高。VBAT供電的長(zhǎng)走線、窄線寬，或者穩(wěn)壓電容離VBAT引腳較遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致在模塊上電后的一段時(shí)間內(nèi)，VBAT上耗流、紋波增加，電源電壓跌落很大。因此在PCB布局時(shí)，VBAT上的旁路電容應(yīng)盡量放在對(duì)應(yīng)管腳附近。為降低PCB走線阻抗，VBAT走線應(yīng)盡量寬、盡量短，最好大面積鋪地。

在考慮VBAT設(shè)計(jì)的同時(shí)，也要重點(diǎn)關(guān)注GND設(shè)計(jì)。GND整個(gè)回流路徑的長(zhǎng)短以及阻抗的連續(xù)性是電源跌落及音頻干擾的主要原因。因此，把模塊GND、電池座GND、電源適配器GND、相互間GND以一塊完整的銅皮相連接，在有結(jié)構(gòu)、板層限制，無(wú)法大面積鋪銅皮處，用2 mm以上走線單獨(dú)連起來(lái)再覆銅，以保證GND的完整性。另外，整個(gè)PCB板應(yīng)盡量多打地孔，電源和地的回流路徑越小越好。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用層次化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。軟件主要由以下幾個(gè)模塊組成：(1)定制的 Linux 2.6內(nèi)核；(2)串口、鍵盤(pán)和 LCD顯示屏的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；(3)鍵盤(pán)處理和顯示模塊；(4)與數(shù)據(jù)中心及當(dāng)?shù)卦O(shè)備的數(shù)據(jù)通信模塊；(5)定位及數(shù)據(jù)處理模塊。

本設(shè)計(jì)使用Qt提供的類庫(kù)實(shí)現(xiàn)裝置軟件的開(kāi)發(fā)；軟件通過(guò)串口設(shè)備訪問(wèn)GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)從GPRS模塊接收基站定位信息，并實(shí)現(xiàn)終端與監(jiān)控中心通信。相比基于GPS和GPRS的終端設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)將減少一個(gè)串口的開(kāi)銷(xiāo)，可用于其他擴(kuò)展模塊。

在本設(shè)計(jì)中，UART起了很大作用，除了作為調(diào)試口用外，還用于與485總線和GPRS進(jìn)行通信。上層應(yīng)用軟件中為485總線和GPRS編寫(xiě)的應(yīng)用程序都是通過(guò)該驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的訪問(wèn)。

本裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市公交車(chē)運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)，并可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)中心對(duì)公交車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)基站定位，可以在相對(duì)于GPS成本更低、功耗更小的情況下實(shí)現(xiàn)定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)位置記錄和自動(dòng)報(bào)站，尤其在受到不良天氣、高樓、橋梁影響時(shí)可發(fā)揮比GPS更高的效用。本裝置基于ARM嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，可通過(guò)良好的擴(kuò)展性適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求，提高城市公交系統(tǒng)效率，改善城市交通狀況。

[1]Yu Kunjie.Implementation of remote I/O control terminal based on GPRSwireless communication[J].Video Engineering，2012，36(13)：89-91.

[2]高岳，張騰.基于基站定位的公交查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)技術(shù)，2011(3)：32-35.

[3]馬少平，駱志剛，孫雷，等.基于 ARM的 GPRS遠(yuǎn)程終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(14)：118-120.