基于STM32的車載GPS/GPRS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 勇，王亞剛

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于STM32的車載GPS/GPRS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 勇，王亞剛

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對汽車的安全管理提出了一種基于stm32控制器的定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對于車輛位置的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)通過由車載終端和遠(yuǎn)程移動(dòng)終端組成。在車載端系統(tǒng)設(shè)備通過GPS模塊接受衛(wèi)星信號(hào)，主控制器提取車輛的經(jīng)緯度、時(shí)間、速度等信息，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端加載運(yùn)用GoogleMapsAPI將這些信息加載到Google地圖中并顯示。設(shè)備中系統(tǒng)運(yùn)用uCOS-II操作系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)時(shí)可靠性高，通信穩(wěn)定有效，能滿足用戶對于車輛位置安全監(jiān)視需求。

車載定位；汽車安全；GoogleMapsAPI；uCOS-II

隨著汽車使用的日益增長，對于汽車的監(jiān)管應(yīng)用越來越頻繁，車載GPS能有效對汽車的位置進(jìn)行定位，將定位信息發(fā)送給車主，即使在車輛被盜的情況下，GPS系統(tǒng)中的通信模塊也能把車輛位置信息發(fā)送給車主，方便車主找回車輛，本定位系統(tǒng)可應(yīng)用的汽車的相關(guān)業(yè)務(wù)，如車貸、汽車抵押、易丟失車輛追蹤、融資租賃等，為公司或個(gè)人提供汽車位置信息服務(wù)，可防止財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。本系統(tǒng)是用ST公司stm32f103vet6為主控制器進(jìn)行的設(shè)計(jì)，通過GPS模塊捕獲導(dǎo)航電文，然后將捕獲的電文處理后發(fā)送給MCU，再經(jīng)過MCU將GPS定位信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機(jī)andriod客戶端，客戶端利用Google Maps API加載到Google map,然后客戶端打開應(yīng)用程序可查看時(shí)間、速度、經(jīng)緯度等位置信息，用戶可對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由兩部分組成車載終端和顯示終端，在車載終端通過GPS模塊接受衛(wèi)星傳輸?shù)男菤v數(shù)據(jù)，將接受到的星歷數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)組CU中解碼得到汽車所在的經(jīng)緯度、時(shí)間、速度等信息，再由GPRS模塊將含有汽車地理位置和時(shí)間發(fā)送到顯示終端，其中顯示終端是由Google Maps API編寫的地圖查詢手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

本系統(tǒng)中選擇的是意法半導(dǎo)體的stm32f103vet6為主控芯片，該芯片含高性能的ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)部有512 K字節(jié)閃存，4個(gè)通用16位定時(shí)器，80個(gè)通用I/O端，5個(gè)通用同步/異步串行收發(fā)器，采用較低的電壓供電2.0～3.6 V，可工作的溫度為-40～85℃工業(yè)級(jí)溫度范圍，本系統(tǒng)對于功耗要求比較敏感，stm32為低功耗芯片含有電源管理單元，能有效減少系統(tǒng)功耗[4]。

2.2 GPS模塊

本系統(tǒng)中所使用的GPS芯片是美國Ublox公司的NEO-6M為GPS定位信號(hào)接收芯片，GPS模塊與MCU串口通信波特率38 400，8位數(shù)據(jù)位1位停止位無奇偶校驗(yàn)位。GPS模塊的天線頻率為1 575.42 MHz的高頻信號(hào)，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要注意與數(shù)字部分隔離，在GPS芯片底部禁止布線，另外PCB板的天線部分還要與天線電纜阻抗相匹配為50 Ω，圖2為GPS部分電路圖，圖中MAX2659芯片為低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)芯片，LNA電路可增強(qiáng)射頻信號(hào)抑制干擾信號(hào)來提高天線的靈敏度，模塊有兩個(gè)天線一個(gè)為內(nèi)置陶瓷天線，另外一個(gè)通過IPX口外接有源天線以增強(qiáng)GPS信號(hào)接收能力[5-6]。

圖2 GPS模塊部分電路圖

2.3 GPRS模塊

系統(tǒng)中所用到的GPRS模塊芯片為上海移遠(yuǎn)公司GC65，該模塊支持四頻段GSM/GPRS無線模塊，分別為GSM850 MHz 、GSM900 MHz、DCS180 MHz和PCS1900 MHz，頻段可通過AT指令設(shè)置，模塊供電范圍為3.3～4.6 V， 在GSM/GPRS模塊的設(shè)計(jì)中，電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，GSM發(fā)射時(shí)每隔4.615 ms有一個(gè)577 us的突發(fā)脈沖，這使得電源必須提高足夠的高的峰值電流，來保證模塊電壓在3.3～4.6 V，且電流必須>2 A能啟動(dòng)模塊。本設(shè)計(jì)中用LDO(Low Dropout Reulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)作為供電電源，LDO芯片為MIC29302WU，其為模塊提供4.16 V的電壓，負(fù)載電流峰值3 A能為模塊提供穩(wěn)定的電源。GPRS模塊電路圖如圖3所示[7-8]。

圖3 GPRS模塊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 GPS信號(hào)解析

GPS模塊工作的流程圖4所示，GPS模塊在接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，主控制器要對GPS信息進(jìn)行提取，提取過程主要經(jīng)過3步：(1)stm32與GPS模塊串口進(jìn)行連接通信，stm32通過串口讀取GPS模塊中的數(shù)據(jù)；(2)提取其中幀頭為GPRMC的數(shù)據(jù)；(3)從上面的數(shù)據(jù)中再提取所需的定位信息，主要為時(shí)間、經(jīng)緯度、時(shí)間、航向等信息。其中第3步是根據(jù)GPS數(shù)據(jù)幀按照逗號(hào)對信息段分割的特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)中‘，’的位置對GPRMC的數(shù)據(jù)段提取出特定的定位信息。該部分的程序如圖所示，其中有兩個(gè)關(guān)鍵的函數(shù)，P1=(u8*)strstr((const char *)buf,GPRMC),P1得到的是GPS緩沖地址為包含以GPRMC字符開始的首地址，另一個(gè)函數(shù)定義u8 NEMA_Comma_Pos(u8 *buf,u8 cx)意義為從buf里面得到第cx個(gè)逗號(hào)所在的位置，返回值為0XFF時(shí)代表不存在第cx個(gè)逗號(hào)，返回值0-0XFE代表逗號(hào)所在的位置偏移，該部分的定義為

u8 NMEA_Comma_Pos(u8 *buf,u8 cx)

{

u8 *p=buf;

while(cx)

{

if(*buf==‘*’||*buf<’’||*buf>‘z’)return

0XFF;∥ 遇到非法字符返回0XFF

if(*buf==‘,’)cx--;

buf++;

}

return buf-p;

}

圖4 GPRS數(shù)據(jù)解析流程圖

3.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接

在GC65中內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，通過發(fā)送AT指令就可建立TCP/IP連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。當(dāng)STM32處理器控制PWRKEY腳為低電平時(shí)，通過檢測NETNIGHT腳為高電平指示開機(jī)成功，GC65開機(jī)后釋放PWRKEY腳的電平，開機(jī)過程結(jié)束，GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送由設(shè)置AT指令實(shí)現(xiàn)，設(shè)置過程如下：(1)向GC65發(fā)送“AT+IPR=115 200”，設(shè)置模塊波特率115 200；(2)使用命令“AT+CGCLASS=B”，模塊設(shè)置為B類GPRS移動(dòng)臺(tái)，在同一時(shí)間只能運(yùn)行一種業(yè)務(wù)；(3)發(fā)送“AT+CGACT=1，1”激活GPRS網(wǎng)絡(luò)功能；(4)發(fā)送“AT+CGREG=1”啟用網(wǎng)絡(luò)注冊非請求結(jié)果碼，用“AT+CGREG?”查詢網(wǎng)絡(luò)是否成功，當(dāng)模塊返回“+CGREG:1,1”表示已注冊本地網(wǎng)絡(luò)。通過以上的設(shè)置后GPRS網(wǎng)絡(luò)連接完畢，然后可以用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接收信息[4]。

3.3 uCOS -II操作系統(tǒng)移植

uCOS-II是由Jeans J.Labrosses編寫的基于優(yōu)先級(jí)搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，包含全部功能的核心代碼僅8.3 kB，uCOS -II用戶在裁剪后實(shí)際的代碼最少可至2.7 kB,uCOS-II的源文件結(jié)構(gòu)如圖5所示共分為3個(gè)部分：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核、與處理器相關(guān)的代碼部分，與應(yīng)用程序相關(guān)的代碼部分[9]。

圖5 uCOS-II源文件結(jié)構(gòu)

在uCOS-II操作系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)控制塊，且每個(gè)任務(wù)都獨(dú)自分配堆棧區(qū)域，各個(gè)任務(wù)之間互不干擾，為了使系統(tǒng)良好的運(yùn)行，將系統(tǒng)劃分幾個(gè)并行存在的任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的重要程度由高到低：主任務(wù)、GPS數(shù)據(jù)接收任務(wù)、GPS數(shù)據(jù)解析任務(wù)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、SMS短信發(fā)送任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行的流程如圖6所示，車載GPS裝置啟動(dòng)，先初始化STM32處理器及其外設(shè)，然后將GPS和GPRS模塊進(jìn)行初始化，再將uCOS-II初始化，進(jìn)行完初始化工作后設(shè)置中端服務(wù)子程序，并打開中斷在任務(wù)調(diào)度之前要建立任務(wù)間的隊(duì)列或郵箱，然后創(chuàng)建任務(wù)分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，此時(shí)所有任務(wù)設(shè)置為就緒狀態(tài)，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度后程序從高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)開始執(zhí)行，系統(tǒng)開始工作[10]。

圖6 移植uCOS-II后系統(tǒng)工作流程圖

3.4 Android環(huán)境搭建

Android 是一款由Google公司開發(fā)的應(yīng)用于移動(dòng)平臺(tái)操作系統(tǒng)，對比其他的操作系統(tǒng)Android系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其為開發(fā)人員提供了統(tǒng)一的應(yīng)用程序方法，只要設(shè)備使用的是Android系統(tǒng)，開發(fā)出的應(yīng)用程序便可在不同的設(shè)備上。開發(fā)Android應(yīng)用之前要搭建Android開發(fā)環(huán)境，先安裝使用Java SE開發(fā)工具包JDK,安裝并配置Android SDK(Software Development Kit)開發(fā)工具包，另外還需一個(gè)Android應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境IDE,本設(shè)計(jì)中使用的是Eclipse，在Eclipse中安裝ADT插件以支持Android應(yīng)用程序得創(chuàng)建和調(diào)試[11]。

3.5 Andriod端APP設(shè)計(jì)

將包含Google API的Target作為項(xiàng)目加載到項(xiàng)目中，編寫主布局文件main.xml,調(diào)用getOverlays()方法獲取Overlay鏈表，并將MyLocationOverlay對象添加到鏈表中，并插入兩個(gè)Button用于地圖放大與縮小，在文件AndriodManifest.xml中聲明INTERNET和ACCESS_FINE_LOCATION權(quán)限，通過使用MapActivity和MapView控件把地圖嵌入到應(yīng)用程序中，其中使用到的方法getOverlays()、enableMyLocation、getController()、onCheckedChanged(),定義方法GetNewLocation()顯示當(dāng)前的地圖信息，通過Google MapView和Geopoint實(shí)現(xiàn)地圖經(jīng)緯度應(yīng)用，將從接受到的GPRS模塊中含有設(shè)備位置信息轉(zhuǎn)換到地圖上并顯示，現(xiàn)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為GeoPoint對象，再利用MapController的animateTo()方法將地圖的中心點(diǎn)移到GeoPoint坐標(biāo)上，經(jīng)過上面的流程便能通過手機(jī)對GPS設(shè)備進(jìn)行方便快捷的監(jiān)視[12-14]。

4 實(shí)驗(yàn)測試

將本系統(tǒng)應(yīng)用到汽車上，對汽車進(jìn)行定位GPS設(shè)備的信號(hào)延時(shí)及成功率的測試和定位精確度測試，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1和表2所示。在表1中為300次的測試通信結(jié)果，成功率為97%且延時(shí)時(shí)間在4 s以內(nèi)的為92%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備通信延時(shí)低而且成功率高，能滿足一般的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢要求[15]。在表2中的數(shù)據(jù)是汽車在30 min內(nèi)每10 min的位置信息，在衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)測量誤差<30 m，對于汽車位置的確定比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)具有較好的定位精度。

5 結(jié)束語

根據(jù)對于汽車位置監(jiān)管的要求，提出了基于stm32的嵌入式GPS定位系統(tǒng)，并將系統(tǒng)移植到uCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定，而且定位精準(zhǔn)有效，用戶還可使用客戶端APP查詢使用設(shè)備的汽車位置。另外該系統(tǒng)還可對系統(tǒng)靜態(tài)單點(diǎn)定位濾波，提高系統(tǒng)的精度，此部分作為進(jìn)一步的的研究對系統(tǒng)優(yōu)化。

表1 設(shè)備信號(hào)延時(shí)及成功率測試數(shù)據(jù)

表2 設(shè)備定位精確度測試數(shù)據(jù)

[1] 徐廣君,王海.嵌入式GPS車載系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)壓縮算法的實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù),2006(4):43-46.

[2] 龍志.嵌入式GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[3] 于鐵軍.基于ARM的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原:中北大學(xué),2014.

[4] 常霞,馬建偉.基于STM32的列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(4):45-48.

[5] 張雪峰,羅洪霞.基于ARM920T的嵌入式GPS接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2008,30(3):126-129.

[6] 斯亮.嵌入式GPS/GIS導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[7] 朱立彬.基于GPRS智能家居遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].太原:中北大學(xué),2013.

[8] 胡嘯.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的油罐車運(yùn)營監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廈門:廈門大學(xué),2008.

[9] 田明,徐平,黃國輝,等.基于STM32和μC/OS-Ⅱ的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2012(4):482-485.

[10] 任哲,房紅征,曹靖.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ原理及應(yīng)用[M].3版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2014.

[11] 張仕成.基于Google Android平臺(tái)的應(yīng)用程序開發(fā)與研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2009(10):7959-7962.

[12] 唐桂文,譚衍濤.基于AJAX和Google Maps API的WebGIS開發(fā)研究[J].測繪與空間地理信息,2013,36(8):8-11.

[13] 周鵬,陳紅順,尹菲.GoogleMapsAPI技術(shù)在移動(dòng)終端上的GIS應(yīng)用[J]. 測繪通報(bào),2012(3):95-96,108.

[14] 馬躍,何小衛(wèi),歐陽鐵磊.基于Google Maps API的車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2010(2):191-196.

[15] 陳維維.嵌入式無線定位追蹤系統(tǒng)的技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

DesignofVehicleGPS/GPRSPositioningSystemBasedonSTM32

HUANG Yong，WANG Yagang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 20093, China)

A Positioning system based on STM32 controller is proposed for the safety management of vehicles,and realizes remote monitoring of vehicle position.The system is composed of a vehicle terminal and a remote mobile terminal.By GPS module satellite signals are received in the vehicle terminal system equipment.main controller extract the vehicle’s latitude and longitude,time,speed and other information which is sended to mobile phone client by GPRS network then.The information is loaded to display in google maps through applying Google Maps API in mobile client.The system uses the uCOS-II operating system to improve the robustness of the system.The experimental results show that the system has high real-time reliability,stable and effective communication,and can meet the user’s requirements for safety monitoring of vehicle position.

vehicle positioning; automobile safety; Google Maps API; uCOS-II

2016- 05- 03

黃勇(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)等。王亞剛(1967)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：復(fù)雜多變量辨識(shí)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.008

P228.4;TP

A

1007-7820(2017)04-032-04