基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能車位控制系統(tǒng)

馬繼先，朱致越，許世豪

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210003）

1 TC35i設(shè)計

1.1 設(shè)計目標(biāo)和工作特點

TC35i［1］是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，由德國西門子（SIEMENS）公司推出，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）時分別為2W和1W，SIM電壓為3V/1.8V。TC35i的數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300b/s～115Kb/s，支持Text和PDU格式的SMS。

本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是通過TC35i收發(fā)短信的功能，結(jié)合單片機(jī)對其進(jìn)行控制，進(jìn)而控制車位鎖的升降及一系列的附加功能。所使用的單片機(jī)為STC12C5A08S2［2］，兼容8051的定時器與串口，且速度比普通8051快8～12倍。這一代宏晶芯片具有1個時鐘周期，具有高速處理、高可靠性等特性。新增第二復(fù)位功能腳、額外外部中斷以及可將CPU從掉電模式喚醒的管腳。

1.2 電路組成及工作原理

TC35i一共有40個引腳，通過一個ZIF連接器引出，ZIF連接器提供控制數(shù)據(jù)、音頻信號和電源供應(yīng)線的應(yīng)用接口。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、SIM卡、數(shù)據(jù)輸入/輸出、控制和音頻接口。第1～14腳為電源部分；24～29為SIM卡引腳，分別為 CCIN，CCRST，CCIO，CC-CLK，CCVCC，CCGND；16～23 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳，分別為 DSR0，RING0，RxD0，TxD0，CTS0，RTS0，DTR0，DCD0；15，30，31 和 32 為控制引腳，15 為點火線IGT，當(dāng)TC35I通電后必須給IGT一個大于100ms的低電平，模塊才啟動，30為RTC backup，31為power down，32為SYNC；音頻接口為33～40，用來外接電話。

本系統(tǒng)主要通過TC35i的短信收發(fā)來控制。它的短信模式有2種：第1種是TEXT模式，第2種是PDU模式。PDU模式可采用多種編碼發(fā)送漢字，但其編碼方法比較復(fù)雜，此處只需實現(xiàn)收發(fā)功能，故采用TEXT模式，此模式無需編碼且只能發(fā)送英文，但實現(xiàn)起來十分簡單。TC35i終端電路如圖1所示。

圖1 TC35i終端電路圖

單片機(jī)通過2根I/O口控制TC35i的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等，通過串口與TC35i進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9600Kbps，采用8位異步通訊方式。TC35i的SYNC引腳有2種工作模式，可用AT命令進(jìn)行切換。本系統(tǒng)使用其來指示TC35i的工作狀態(tài)：當(dāng)LED為1s亮/1s熄時，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在搜索網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登入，當(dāng)LED為3s亮/1s熄時，表明已經(jīng)登入網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行短信收發(fā)。單片機(jī)電路如圖2所示。

本系統(tǒng)的主要功能是當(dāng)TC35i模塊收到特定的短信息內(nèi)容時，通過relay時車位鎖控制電路閉合，從而實現(xiàn)其升降，可以說起到了使能的作用。單片機(jī)串口設(shè)置成模式1（9600，N，8，1），依次將AT+XXX以ASCII碼形式輸出到UART口，接收TC35i的數(shù)據(jù)采用中斷方式。當(dāng)設(shè)置AT+CMGF=1＜CR＞＜LF＞時，TC35i以TEXT模式識別短消息。讀取短消息為AT+CMGR，相應(yīng)內(nèi)容在編程時寫入便可以。

2 iOS7.0系統(tǒng)iPhone客戶端的實現(xiàn)

2.1 核心模塊：應(yīng)用程序內(nèi)部發(fā)送短信功能

2.1.1 模塊實現(xiàn)綜述

在應(yīng)用程序內(nèi)調(diào)用發(fā)送短信頁面，需要使用SMS組合接口。使用SMS組合接口，必須在程序應(yīng)用框架中增加MessageUI.framework框架，并且將該框架鏈接到相應(yīng)目標(biāo)。為了在程序中自由調(diào)用MessageUI.framework框架中的所有類和頭文件，必須在應(yīng)用程序的頭文件（本應(yīng)用程序中為AreaViewController.h）最頂部的調(diào)用列表中添加#import＜MessageUI/MessageUI.h＞陳述。為了提供標(biāo)準(zhǔn)的用戶接口，需要使用MFMessageComposeViewController類。為這個類創(chuàng)造一個實例，并為該實例分配一個委托目標(biāo)。這個委托必須遵從MFMessageComposeViewControllerDelegate協(xié)議。

在向用戶呈現(xiàn)編寫短信的界面之前，用戶能夠預(yù)先設(shè)定好短信的內(nèi)容和發(fā)送收信號碼。當(dāng)設(shè)置短信內(nèi)容和收信號碼完畢后，調(diào)用 UIViewControllerpresentModalViewController:animated：方法進(jìn)行模塊化地呈現(xiàn)短信編寫界面。當(dāng)界面可用（如果沒有預(yù)先設(shè)定收信號碼和短信內(nèi)容），用戶就能編輯收信號碼和短信內(nèi)容，接下來用戶就可以通過輕按界面上的相應(yīng)功能按鈕來發(fā)送短信或取消發(fā)送。如果用戶要求發(fā)送信息，那么系統(tǒng)就會將用戶所要發(fā)送的內(nèi)容送入發(fā)送隊列，然后調(diào)用委托目標(biāo)的messageComposeViewController:didFinishWithResult:方法。調(diào)用這個方法后會產(chǎn)生一個返回值，這個值是“sent”（表示已發(fā)送）或“cancelled”（表示取消發(fā)送）或“failed”（表示發(fā)送失敗）。最后，委托目標(biāo)負(fù)責(zé)解除短信發(fā)送用戶界面，要實現(xiàn)該步驟，必須調(diào)用UIViewController dismissModalViewControllerAnimated:方法。

圖2 單片機(jī)電路圖

2.1.2 MessageUI框架的介紹與使用

MessageUI框架為短信（SMS服務(wù)）和Email文本信息發(fā)送提供了標(biāo)準(zhǔn)化的用戶界面及界面控制器。使用這個接口可使用戶進(jìn)入短信發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)界面而不需要離開本應(yīng)用程序，實現(xiàn)了程序內(nèi)調(diào)用短信發(fā)送界面的功能。在向用戶呈現(xiàn)出短信發(fā)送界面之前，必須對界面控制器進(jìn)行初始化，可事先對收信號碼和短信內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定。在本系統(tǒng)中，為了與TC35I的GSM模塊進(jìn)行通信以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，預(yù)先設(shè)定了收信號碼以及短信內(nèi)容。調(diào)用MessageUI框架源碼如下：

2.1.3 MFMessageComposeViewController類的介紹和使用

MFMessageComposeViewController類可以為用戶提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的短信發(fā)送界面，我們也可以使用該類對短信收信人和短信內(nèi)容進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。將收信人初始化為車位鎖用戶的車位鎖控制模塊的接收手機(jī)號，并結(jié)合單片機(jī)接收的特殊字段來初始化短信內(nèi)容。在這里，我們將短信內(nèi)容進(jìn)行如下設(shè)置：當(dāng)用戶輕按屏幕“開鎖”按鈕時，彈出的短信發(fā)送界面的短信內(nèi)容為：L1#OFF。當(dāng)用戶輕按屏幕“鎖定”按鈕時，彈出的短信發(fā)送界面的短信內(nèi)容為：L1#ON。MFMessageComposeViewController類的實現(xiàn)源碼如下：

其 中 ，presentModalViewController:picker animated:YES 方法用來調(diào)用短信發(fā)送界面，將短信發(fā)送界面放置在當(dāng)前用戶界面的上一層。

2.2 核心模塊：應(yīng)用程序內(nèi)部調(diào)用遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻

2.2.1 模塊實現(xiàn)綜述

與攝像頭監(jiān)控模塊進(jìn)行通信實現(xiàn)手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，需要使用到iOS常用類中的NSURLRequest類。NSURLRequest對象代表URL載入請求，這個請求是獨(dú)立協(xié)議的并且是URL形式的。在此，為了實現(xiàn)客戶端內(nèi)查看遠(yuǎn)程監(jiān)控的實時視頻，我們需要調(diào)用該類中的方法：requestWithURL:。因為所使用的攝像頭監(jiān)控模塊是連接在互聯(lián)網(wǎng)中的，利用其VPN通道將實時視頻、音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭惶囟ǖ耐饩W(wǎng)上，或傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)內(nèi)一預(yù)先設(shè)定IP的用戶設(shè)備上。用戶通過輸入攝像頭設(shè)備ID及用戶密碼就可以在外網(wǎng)獲取實時的攝像頭監(jiān)控圖像，因此，在手機(jī)客戶端上將獲取實時監(jiān)控視頻的URL地址初始化，作為參數(shù)發(fā)送URL請求，那么用戶就可以在手機(jī)上通過蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或WLAN鏈接到該URL，并在輸入攝像頭設(shè)備id以及用戶密碼后獲取監(jiān)控視頻。

2.2.2 requestWithURL方法的介紹和使用

調(diào)用requestWithURL方法可以產(chǎn)生一個URL請求，在這個請求中可以自定義一個URL參數(shù)表示需要訪問的目標(biāo)URL地址，并且requestWithURL方法中使用的緩存策略和超時數(shù)值都采用默認(rèn)值即可。在實現(xiàn)視頻監(jiān)控車位鎖實時狀態(tài)的應(yīng)用中，我們向視頻所在的URL發(fā)起一個請求，在手機(jī)客戶端上打開該頁面，以供用戶進(jìn)行后續(xù)操作。requestWithURL方法的實現(xiàn)源碼如下：

以上源碼使用戶在輕按菜單中的“車位情況監(jiān)控”按鈕之后，即可以輸入自己的攝像頭設(shè)備ID和用戶密碼，并且開始通過視頻監(jiān)控車位鎖的實時情況。

在此部分中，通過對手機(jī)客戶端程序的編寫和用戶界面的設(shè)計，讓用戶能夠直觀地通過手機(jī)短信對車位鎖的開或閉進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，擁有延遲低、不受地域限制、用戶界面友好、方便等特點。此外，用戶在接入3G蜂窩數(shù)據(jù)或連接WLAN的條件下，還可以通過手機(jī)客戶端實時監(jiān)控車位情況和車輛情況，讓用戶在使用該套車位鎖系統(tǒng)之后獲得更加全面、更加及時的安全保障。

3 攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控與碰撞報警的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)所使用的無線攝像頭綜述

在該車位鎖智能控制系統(tǒng)中，我們采用的是IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭，該攝像頭由高清晰度CMOS感光芯片、32Bit RSIC媒體處理器構(gòu)成，使用JPEG壓縮方式對每一幀傳送的圖片進(jìn)行壓縮。在數(shù)據(jù)傳輸上，該攝像頭采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。因此，能夠保證在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2 壓縮算法與傳輸協(xié)議

JPEG壓縮算法［3］是由CCITT SG VIII（國際電信電話咨詢研究委員會研究組VIII）的CCIC和ISO/JTC1/SC2/WG10成立的聯(lián)合小組——Joint Photographic Expert Group（JPEG）開發(fā)的一種靜止圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG以DCT為基礎(chǔ)，壓縮具體過程如下：將圖像分成互不重疊的塊，對每塊進(jìn)行離散余弦變換（DCT），變換后的系數(shù)根據(jù)量化表進(jìn)行量化，再對量化后的系數(shù)按折線掃描重新組織，最后進(jìn)行編碼。在攝像頭的應(yīng)用中，為了降低傳輸帶寬，必須對圖片進(jìn)行壓縮。圖像的原始文件很大，必須對圖像進(jìn)行充分壓縮才能夠高效地利用帶寬，節(jié)省資源，并且避免在實時觀看過程中出現(xiàn)的卡頓現(xiàn)象，為了使圖片數(shù)據(jù)能夠快速傳輸，并且順暢播放，本文采用的攝像頭壓縮比為行業(yè)多采用的5∶1。

3.3 UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）傳輸?shù)难芯考皯?yīng)用

UDP 的全稱是（User Datagram Protocol）［4］，代表用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，是OSI參考模型中的傳輸層協(xié)議。該協(xié)議所提供的是面向事務(wù)的簡單的不可靠的信息傳送服務(wù)，是一種無連接的傳輸層協(xié)議，UDP協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求較高，在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況下，丟包率較大，因此多用于對丟包率和數(shù)據(jù)要求不高的應(yīng)用。

在攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸中，本文采用UDP的傳輸協(xié)議，為保證丟包率不至于過高，并且為保證視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量，必須把攝像頭與監(jiān)控端接入同一局域網(wǎng)中，這樣可在局域網(wǎng)內(nèi)將壓縮數(shù)據(jù)包直接傳輸給目標(biāo)監(jiān)控設(shè)備。當(dāng)然，也可將攝像頭捕獲到的視頻圖像發(fā)送到一個固定的IP地址上，供局域網(wǎng)外部的終端進(jìn)行查看。

3.4 碰撞報警的實現(xiàn)

防碰撞模塊的主要功能是當(dāng)一個超過設(shè)定值的壓力被施加到壓力傳感器時，系統(tǒng)蜂鳴器報警并向指定號碼發(fā)送短信“Alert”到制定號碼。發(fā)送短消息格式為AT+CMGS=目標(biāo)號碼＜CR＞＜LF＞。本模塊主要使用了一個 MCS-51 系列單片機(jī)［5］，另有應(yīng)變式壓力傳感器，HX711電子稱［6］專用AD轉(zhuǎn)換器。HX711是一款專為高精度電子稱而設(shè)計的24位AD轉(zhuǎn)換器芯片，它集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等一些必要的外圍電路，具有高集成度、高響應(yīng)速度、強(qiáng)抗干擾性等優(yōu)點。其所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程，大大減少了編程時間與難度，芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源。系統(tǒng)中所使用的應(yīng)變式壓力傳感器利用彈性敏感元件和應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻值的變化。

［1］何光禹，李太全.基于 TC35i GSM模塊的SMS設(shè)計和應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（16）：157-159.

［2］周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

［3］張海燕，王東木，宋克歐，等.圖像壓縮技術(shù)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002（7）：831-835.

［4］彭喜元，姜守達(dá).新編 MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［5］程智.簡易電子秤的設(shè)計［J］.電子世界，2013（7）：133-133.