摘要：本文根據(jù)出租車公司對車輛監(jiān)控定位的要求，以單片機MSP430F147為核心，集成GPS模塊、GPRS模塊，詳細論述了出租車車載監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計，其中包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計。該系統(tǒng)可以實時采集運行出租車車輛的實時位置信息，并且可以將采集到的信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車運營公司，為出租車公司對車輛的監(jiān)控調(diào)度提供了方便。

關(guān)鍵詞：單片機；GPS模塊；GPRS模塊

0．  引言 

      隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，出租車作為城市公共交通的一部分，已經(jīng)成為現(xiàn)代城市交通不可缺少的部分。但是隨之而來的出租車監(jiān)控調(diào)度、安全管理卻成了每個出租車公司的一大問題。如何簡單快捷的對出租車進行合理的調(diào)度管理，同時可以實時監(jiān)控每輛出租車的安全狀況，針對這一問題我們開發(fā)了出租車車載監(jiān)控設(shè)備，此系統(tǒng)大大方便了出租車公司對出租車的調(diào)度管理，同時還可以實時監(jiān)控出租車的位置以及安全狀況。

1．  出租車車載監(jiān)控設(shè)備的功能

      出租車車載監(jiān)控設(shè)備是出租車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的一個組成部分，可以向出租車監(jiān)控調(diào)度中心提供出租車的實時位置信息，保證出租車運行安全，以及對出租車進行合理的調(diào)度，出租車載監(jiān)控設(shè)備的功能如下：

      1）信息采集功能

      車載監(jiān)控設(shè)備可以準確無誤的采集車輛的實時信息（如經(jīng)度、維度、速度、方向等）。

      2）數(shù)據(jù)存儲功能

      可以存儲車輛ID號、停車前15分鐘的速度信息以及連續(xù)行車時間等信息。

      3）數(shù)據(jù)傳輸功能

      可以將采集到的出租車實時信息通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心，并且可以接收來自監(jiān)控調(diào)度中心的調(diào)度命令。

2．  系統(tǒng)硬件設(shè)計

      系統(tǒng)以單片機MSP430F147為核心控制器^[1]，集成GPS模塊、GPRS模塊、串行存儲器模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

Fig.1 System diagram

      2.1 單片機單元

      系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F147單片機作為核心控制器^[2]，此款單片機具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機實現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個通用全雙工串行同步/異步通信接口；6個8位I/O口；外部中斷輸入接口。單片機串口0負責接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效信息數(shù)據(jù)，一方面對數(shù)據(jù)進行存儲，另一方面將信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心。

      2.2 GPS模塊

      2.2.1 GPS概述

      GPS（Global Positioning System）是美國研制的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。它是目前世界上精度高的一種導航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟、地理信息測控及其他領(lǐng)域。GPS定位系統(tǒng)由以下三個部分組成：

     （1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）：24顆衛(wèi)星（其中三顆備用），分布在6個軌道平面上，每個軌道面均勻布設(shè)4顆衛(wèi)星，從而保障了地球上任何地點和時刻都能觀察到4顆衛(wèi)星。它能發(fā)射L1和L2波段的信號。

     （2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）：中央控制系統(tǒng)，跟蹤衛(wèi)星定軌，用來監(jiān)測衛(wèi)星的狀態(tài)，對衛(wèi)星軌道信息進行修正。

     （3）GPS信號接收機（用戶設(shè)備部分）：接收設(shè)備，主要由天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機及其終端設(shè)備組成。其基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號。接收單元主要作用是記錄GPS信號，對信號進行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，以獲得有用的定位信息。

      2.2.2 GPS模塊介紹

     GPS采用GS-87模塊^[3]，它是一個高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRF star III公司所設(shè)計的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPS Antenna（GPS天線）接收衛(wèi)星信號，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應電流。電流經(jīng)過LNA（低噪音放大器）被放大，在通過filter 濾波器將其變頻處理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3組成)進行處理，將處理后的信號通過串口與單片機進行連接。用戶通過對單片機的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進行處理，提取出對用戶有用的信息。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 System diagram

      2.2.3 GPS模塊接口電路的設(shè)計

      GS-87模塊共有6個引腳，它與單片機主要進行串口通信，故它們之間連接時可通過GS-87的數(shù)據(jù)接收引腳RXA與數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXA分別與單片機的串口UART0（TXD0和RXD0）相連。GS-87的TXA引腳為串行數(shù)據(jù)輸出端口A，是主要的數(shù)據(jù)傳輸通道，用于輸出導航和測量的數(shù)據(jù)；RXA為串行數(shù)據(jù)接收端口A，是主要的接收通道，用于接收來自單片機的控制命令；VCC外接+3.3~5.5的電源輸入端口，為保證模塊工作時不受外界電磁噪聲的干擾，在電源端VCC與地端GND之間安裝旁路電容，旁路電容C19主要用來去除高頻電磁脈沖，電解電容C33主要用來去除低頻干擾以及儲存電荷功能；RXB為輔助串行數(shù)據(jù)接收端口B，用于差分定位；Time Mark默認為從GS-87提供1脈沖每秒輸出信號，用于同步一微秒的時間。在車載監(jiān)控設(shè)備設(shè)計中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可滿足功能要求。GPS模塊電路連接圖如圖3所示：

圖3 GS-87電路連接原理圖

2.3 GPRS模塊

2.3.1 GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業(yè)務的簡稱，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接；是GSM Phase2.1規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbit/s更高的數(shù)據(jù)率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標準、調(diào)頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。作為第二代移動通信技術(shù)GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術(shù)，GPRS充分利用了現(xiàn)有移動通信網(wǎng)的設(shè)備，不需要改變無線網(wǎng)絡規(guī)劃與其拓撲結(jié)構(gòu)，因而從很大程度上節(jié)省了移動網(wǎng)絡建設(shè)成本。它支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時只需要增加部分硬件設(shè)備和軟件升級即可。構(gòu)建GPRS系統(tǒng)的方法：1）GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，在GSM網(wǎng)絡中引入了3個主要組件：GPRS服務支持結(jié)點（SGSN，Serving GPRS Supporting Node)、GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點（GGSN，Gateway GPRS Supporting Node)以及分組控制單元（PCU，Package Control Unit）。2）對GSM的相關(guān)部件進行軟件升級。

GPRS的數(shù)據(jù)傳輸具有以下幾個特點：

（1）采用的時分組交換技術(shù)的通信方式。（2）按數(shù)據(jù)流量計費，而不是按在線時長計費。（3）傳輸速率高。（4）永遠在線。（5）GPRS網(wǎng)絡接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。（6）GPRS支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。（7）GPRS 的設(shè)計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。

由以上所描述的GPRS特點可看出，對于出租車載監(jiān)控設(shè)備來說，采用GPRS無線通信技術(shù)完全滿足設(shè)計需要。應用GPRS技術(shù)在車載監(jiān)控設(shè)備與監(jiān)控調(diào)度中心之間建立起一座數(shù)據(jù)通信的橋梁，使得遠程實時監(jiān)控、調(diào)度成為可能。隨著GPRS技術(shù)的不斷發(fā)展完善，基于GPRS的無線數(shù)據(jù)通信將得到更廣泛的應用。

2.3.2 GPRS模塊介紹

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊^[4]，它是車載監(jiān)控設(shè)備與出租車公司監(jiān)控調(diào)度中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊一方面可以將GPS模塊采集到的車輛定位信息（如時間、經(jīng)度、緯度、速度、方向等）實時發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心的服務器上；另一方面還可以接收來自出租車監(jiān)控調(diào)度中心的調(diào)度命令。實現(xiàn)車載監(jiān)控設(shè)備與監(jiān)控調(diào)度中心的雙向通信。

2.3.3 GPRS接口電路設(shè)計

MC52i模塊與MSP430F147通過串口以及信號控制引腳相連，電路連接圖如圖4所示。MC52i的26-30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3V～4.8V，峰值負載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為MC52i模塊的數(shù)據(jù)接收端口與數(shù)據(jù)輸出端口，分別連接到單片機串口（UART1）的TXD1與RXD1。MC52i的1-6引腳為外接SIM卡提供了標準的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時鐘脈沖信號；CCIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復位信號；CCIN引腳主要用來檢測SIM卡是否插入SIM卡卡座中。

圖4 MC55連接原理圖

3．  系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序功能

主程序負責初始化、開中斷、分析解析GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示指導系統(tǒng)進入各種相應的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖5a。

3.1 GPS數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計

車載終端設(shè)備需要從GPS定位信息中提取出有用的信息并且顯示出來，所以也需要了解各種NMEA數(shù)據(jù)的含義。下面僅列出GPS固定數(shù)據(jù)輸出語句（GPRMC）輸出范例，各數(shù)據(jù)代表的意義如表1所示。輸出范例：

$GPRMC,025812.487,A,3752.5236,N, 11229.1768,E,0.13,309.62,181211, ,*70

表1 GPRMC數(shù)據(jù)含義

Tab. 1 GPRMC data meaning

當GPS模塊有數(shù)據(jù)輸出時，單片機進入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數(shù)據(jù)頭標志即“$GPRMC”，若判斷到數(shù)據(jù)正確則程序進入數(shù)據(jù)接收模式，直到接收到“*”表示數(shù)據(jù)接收成功，否則退出中斷程序等待下次數(shù)據(jù)的到來。以下為部分中斷程序代碼。

While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);

     {    UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;

          if (UART0_RX_BUF[0]!='$')  num=0;      

          if(num==5)

          { if (UART0_RX_BUF[2]!='P') num=0;

            if (UART0_RX_BUF[3]!='R') num=0;

            if (UART0_RX_BUF[4]!='M') num=0;

           }

          if (num==56)

                {  for (i=56;i<73;i++)

                           {  if (UART0_RX_BUF[i]!='*')  num=0;

                                  else  k=i;  }

            }

          }

       }

3.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計

出租車車載監(jiān)控設(shè)備可以將車輛的實時信息通過GPRS模塊發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心以便監(jiān)控調(diào)度中心掌握出租車運行狀況。單片機接收到GPS數(shù)據(jù)并且解析有效信息后，將需要發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心的信息（經(jīng)緯度、速度等）存儲到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器內(nèi)，以便數(shù)據(jù)發(fā)送時調(diào)用。本設(shè)計采用定時器中斷方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送時間間隔為5S，當定時器定時5S溢出進入中斷后，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序，調(diào)用發(fā)送緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到出租車監(jiān)控調(diào)度中心。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖5b：

圖5 程序流程圖

4．  結(jié)論

目前車載GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)應用到民用、軍用各個行業(yè)。在本文出租車車載監(jiān)控設(shè)備設(shè)計中其硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計，易于升級與維護。經(jīng)過實際車載試驗，出租車載監(jiān)控設(shè)備性能穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)的精確程度以及發(fā)送數(shù)據(jù)的正確率都達到了預先設(shè)計要求。為出租車公司監(jiān)控調(diào)度提供了良好的運營平臺，該系統(tǒng)具有良好的推廣價值和應用前景。

聯(lián)系人姓名：國建嶺，地址：山西省太原市萬柏林區(qū)窊流路66號474信箱，郵編：030024，電子郵件：gjl922@126.com, 聯(lián)系電話：15513048235，QQ：125732455。