嵌入式車(chē)載定位系統(tǒng)研究

張 文

ZHANG Wen

（內(nèi)江師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)江 641112）

0 引言

隨著汽車(chē)的不斷普及，車(chē)輛被盜案件也是經(jīng)常發(fā)生，而很多車(chē)輛在被盜后很難被追回，給受害者造成巨大的損失。GPS全球定位系統(tǒng)是一個(gè)由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)目前GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，覆蓋面廣的特點(diǎn)，合理有效的利用GSM網(wǎng)絡(luò)資源，可以避免組建專(zhuān)用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的成本高、通訊距離短、通訊效果差等諸多難題。鑒于此提出了將GPS定位器與GSM通信相融合的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該定位器可以將獲取的GPS位置以及運(yùn)動(dòng)速度等信息，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的形式發(fā)送到指定的手機(jī)用戶(hù)。一旦發(fā)生車(chē)輛被盜情況，就可以迅速定位車(chē)輛的位置，為案件的偵破提供至關(guān)重要的線(xiàn)索。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在無(wú)線(xiàn)方面考慮到數(shù)據(jù)的傳輸量不大，且只有特殊情況下才會(huì)進(jìn)行通信，因此利用短消息傳輸足以勝任。車(chē)載GPS定位系統(tǒng)主要由定位器和手機(jī)用戶(hù)端組成。定位器主要完成獲取車(chē)輛所在的經(jīng)緯度、運(yùn)動(dòng)速度和方向等信息，并把這些數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的形式發(fā)送給指定的手機(jī)用戶(hù)端；手機(jī)用戶(hù)端將收到的經(jīng)緯度導(dǎo)入到專(zhuān)用的電子地圖軟件，從而能夠直觀準(zhǔn)確的得知車(chē)輛所在的具體位置。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：1）獲取位置。當(dāng)向定位器發(fā)送獲取位置指令時(shí)，定位器會(huì)以短消息的形式返回位置信息；2）超限報(bào)警。當(dāng)車(chē)輛超出預(yù)設(shè)的區(qū)域后自動(dòng)給指定手機(jī)發(fā)送具體位置的報(bào)警短消息。

2 定位器硬件設(shè)計(jì)

定位器的硬件主要由控制器LPC2129、GPS模塊、GSM模塊、天線(xiàn)以及供電管理單元等組成，硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 硬件構(gòu)成

表1 GPS最小GPS數(shù)據(jù)格式

2.1 微處理器LPC2129

LPC2129是飛利浦公司推出的一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7 TDMI-S內(nèi)核的微控制器，它帶有16K字節(jié)靜態(tài)RAM和128k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器，在64腳的封裝中，可使用GPIO多達(dá)46個(gè)；4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us；實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗；通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，豐富的片上資源能夠滿(mǎn)足一般的工業(yè)控制的需要。LPC2129不僅工作穩(wěn)定，運(yùn)算速度更快，而且具有雙串口非常適合此方案[1]。

2.2 GPS模塊LR9548S

本設(shè)計(jì)方案采用當(dāng)前領(lǐng)先的GPS技術(shù)，利用集成的定位芯片LEADTEK LR9548S，它是一款專(zhuān)為OEM應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有高靈敏度、低功耗、20通道的GPS接收模塊。GPS9548相比其它的獨(dú)立的GPS解決方案，能使用戶(hù)在很低的信號(hào)強(qiáng)度下獲取并連續(xù)的追蹤GPS信號(hào)，這意味著它可以使用在以前認(rèn)為不可能使用的環(huán)境下，比如林立的都市大廈中、茂密的樹(shù)林中、車(chē)庫(kù)中和許多室內(nèi)環(huán)境下，定位精度小于10米[2]。只需在外圍加上相應(yīng)電路即可通過(guò)串口輸出T包括時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度、運(yùn)動(dòng)方向等位置信息。

2.3 GSM模塊TC35i

TC35i是西門(mén)子公司推出的一款無(wú)線(xiàn)通信模塊，并且已取得國(guó)內(nèi)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備入網(wǎng)證，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，功耗分別為2W和1W；電源范圍為直流3.3～4.8V；電流消耗：休眠狀態(tài)為3.5mA，空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA(平均)，峰值為2.5A；該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真提供快速、安全可靠的傳輸。TC35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在300bps～115kbps之間可選[3]。TC35i模塊的命令接口完全符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范，通過(guò)微處理器LPC2129的串口1向TC35i模塊的串口發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的AT指令來(lái)完成定位器短信收發(fā)的功能，從而實(shí)現(xiàn)與外界手機(jī)用戶(hù)通信。

3 數(shù)據(jù)的解析和命令定義

GPS數(shù)據(jù)的分析提取以及短消息命令協(xié)議的定義是系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分。

3.1 GPS數(shù)據(jù)格式NMEA-0183

LR9548S模塊遵循美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，常用語(yǔ)句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。本系統(tǒng)只關(guān)心其時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度以及運(yùn)動(dòng)方向信息，因此只處理最小GPS數(shù)據(jù)格式RMC記錄語(yǔ)句：$GPRMC,＜1>,＜2>,＜3>,＜4>,＜5>,＜6>,＜7>,＜8>,＜9>,＜10>,＜11>＜CR>＜LF>

表1為RMC最小格式。在測(cè)試LR9548S模塊的數(shù)據(jù)輸出時(shí)，其默認(rèn)速率為9600bps，發(fā)送時(shí)間間隔為1s。在進(jìn)行識(shí)別、分解、解析各字段時(shí)以逗號(hào)分割符“,”作為各字段的分割標(biāo)志，提取所需GPS數(shù)據(jù)信息。

3.2 短信命令協(xié)議

收發(fā)短消息分三種模式：BLOCK、TEXT和PDU模式。其中只有PDU模式支持中文，可以使用三種編碼：7-bit編碼、8-bit編碼和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符；8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，如圖片或鈴聲等；UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。由于在系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)中文短消息的發(fā)送，所以選擇用UCS2編碼，即中文Unicode碼，這種模式被所有手機(jī)支持，也是手機(jī)默認(rèn)的編碼方式，通過(guò)UCS2編碼得到中文Unicode碼，接著就可以進(jìn)行發(fā)送PDU串了[4]。PDU串除了包含所發(fā)送的消息本身外，還包含很多其它信息，如服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼和編碼方式等。

手機(jī)用戶(hù)端給定位器發(fā)送指令要遵循一定規(guī)則才能被識(shí)別。表2為短消息內(nèi)容命令格式。1）6位數(shù)字密碼。只有通過(guò)密碼確認(rèn)后才有權(quán)限操縱定位器執(zhí)行命令；2）命令。用于指示本次要執(zhí)行什么操作；3）參數(shù)。根據(jù)命令的類(lèi)型，參數(shù)也有所不同。

表2 消息內(nèi)容的命令格式

4 軟件設(shè)計(jì)

LPC2129控制器在運(yùn)行主程序前必須初始化運(yùn)行環(huán)境，即為編寫(xiě)ARM芯片啟動(dòng)代碼，包括異常向量表、堆棧初始化、存儲(chǔ)系統(tǒng)初始化和目標(biāo)板初始化等，一般用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵是編寫(xiě)功能子函數(shù)，程序通過(guò)調(diào)用各子函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，主要包括四部分：GPS數(shù)據(jù)的解析和提取、PDU短信編解碼、短信的接收和發(fā)送、命令的解析和執(zhí)行[5]。圖3為程序流程圖。

圖3 程序流程圖

設(shè)備開(kāi)機(jī)后定位器首先進(jìn)行初始化，包括控制器LPC2129的功能管腳選擇、串口工作方式設(shè)置、中斷向量、TC35i的初始化以及工作模式設(shè)置等。接下來(lái)程序進(jìn)入循環(huán)執(zhí)行命令的五個(gè)環(huán)節(jié)：1）檢驗(yàn)GPS數(shù)據(jù)是否有效。等待GPS接收機(jī)模塊LR9548S接收到有效的數(shù)據(jù)為止，同時(shí)點(diǎn)亮GPS指示燈，如果是無(wú)效的GPS數(shù)據(jù)指示燈就一直顯示熄滅狀態(tài)；2）檢驗(yàn)是否超限。如果超限即刻發(fā)送一條短信至預(yù)先設(shè)定好的手機(jī)用戶(hù)。3）檢測(cè)是否收到新短信。如果沒(méi)有收到新短信，則返回1），如果收到新的短信，則要到新短信的存儲(chǔ)位置讀取，并對(duì)接收的短信內(nèi)容進(jìn)行PDU解碼。4）驗(yàn)證密碼。如果密碼錯(cuò)誤或者為非指令短信，則刪除該條短信并返回1）。如果密碼正確就開(kāi)始解析短信命令，并執(zhí)行相應(yīng)的命令子程序。5）處理完畢后，刪除短信。以免出現(xiàn)存儲(chǔ)空間裝滿(mǎn)無(wú)法接受新短信的情況。

5 結(jié)論

嵌入式車(chē)載定位系統(tǒng)是GPS與GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完美結(jié)合的結(jié)晶。該系統(tǒng)體積小、工作穩(wěn)定可靠，一旦發(fā)現(xiàn)車(chē)輛丟失后，可迅速向車(chē)載定位器發(fā)送定位指令，將手機(jī)接收到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)輸入到Google地球電子地圖軟件的搜索欄后，點(diǎn)擊搜索按鈕，圖上就會(huì)立刻直觀顯示當(dāng)前車(chē)輛所在位置，能為案件的偵破提供重要的線(xiàn)索。

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[2]陳玲玲,劉鳳鴟.基于嵌入式微處理器的GPS定位系統(tǒng)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2009(03)：43-45.

[3]李瑞峰,顧義坤.于GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)的家用機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2006(10)：71-73.

[4]李家福,余立建,等.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件,2005(12)：63-65.

[5]張紹兵,郭繼坤,趙艷芹.基于CAN總線(xiàn)智能適配卡的軟硬件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008(16)：45-47.