基于北斗二代模塊的車輛定位報警器設(shè)計

■文/公安部第一研究所 綦振祿 焦勝才

基于北斗二代模塊的車輛定位報警器設(shè)計

■文/公安部第一研究所 綦振祿 焦勝才

本文介紹了一種車輛定位報警器的軟硬件設(shè)計方案，采用了國產(chǎn)北斗二代定位模塊做為衛(wèi)星定位信號接收單元，方案中考慮到車載應(yīng)用的特性，通過三軸加速度傳感器實現(xiàn)車輛行駛狀態(tài)監(jiān)測以及車輛停駛時對車輛進行非正常移動監(jiān)測，從而實現(xiàn)車輛防盜保護。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng) 車載定位

1.引言

近幾年隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代長期霸占中國市場的“GPS”導(dǎo)航系統(tǒng)，成為全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS）中四大系統(tǒng)之一，占有極其重要的地位，目前大多數(shù)模塊廠商已經(jīng)將“BD”和“GPS”都集成在一個模組內(nèi)。采用雙制式互補模式定位，定位速度更快、精度更高。早在2008年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)首次應(yīng)用于北京奧運會場館安保工作中,并取得良好的應(yīng)用效果。

本文提出一種利用北斗二代模塊和GPRS模塊來實現(xiàn)車輛位置定位的方案。并輔以三軸加速度傳感器做為車輛移動探測及車輛姿態(tài)監(jiān)測,實現(xiàn)車輛防盜報警和事故報警功能。

2.定位技術(shù)分析

目前我國已經(jīng)發(fā)射了35顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，理論上已經(jīng)可以覆蓋全球任意位置。按照定位系統(tǒng)算法要求，北斗接收模塊只要能同時獲得4顆以上的衛(wèi)星信號，便可以解算出當前接收機的地理位置以及時間信息。因為這些算法已經(jīng)在接收模塊中實現(xiàn)了，用戶可以直接從模塊的串口得到已經(jīng)計算后的經(jīng)緯度、高度以及時間數(shù)據(jù)，軟硬件設(shè)計都十分方便。

3.硬件方案設(shè)計

3.1 北斗模塊選型

在本設(shè)計中，作者采用“北斗星通科技有限公司”的UM220-III N做為衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收模塊，該模塊能夠同時支持BD的B1和GPS的L1兩個頻點，即可以同時接收中國的“北斗”和美國的“GPS”兩套導(dǎo)航系統(tǒng)下發(fā)的定位信號。該模塊模塊功耗僅為120mW。體積為16x22x2.4mm，適合小型化、低功耗產(chǎn)品應(yīng)用。北斗模塊及內(nèi)部示意圖如圖1所示：

圖 1 北斗二代定位模塊-UM220-III及內(nèi)部框圖

UM220-III模塊硬件接口及其簡單，模塊與處理器之間僅需要一個UART接口，保證模塊的波特率與處理器一致即可。另外該模塊接收天線可以使用有源或無源天線，天線接口阻抗為50歐姆。

3.2 通信模塊選型

定位器接收到位置信息后，需要將該信息即時回傳給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，由于經(jīng)緯度位置信息的數(shù)據(jù)量很少，在此采用“SIMCom”的SIM900A無線通信模塊做為數(shù)據(jù)回傳單元，該模塊支持2頻GSM/GPRS，工作頻段為EGSM900MHz和DCS1800MHz。模塊體積僅為24x24x3mm，因模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用簡單的單片機處理器通過AT指令便可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，特別適合微型數(shù)字移動終端應(yīng)用。模塊如圖2所示。

圖 2 GPRS模塊- SIM900A及內(nèi)部框圖

在本設(shè)計中SIM900A使用的模塊初始操作AT指令如表1所示，因模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議，可以通過擴展AT指令直接啟用模塊的網(wǎng)絡(luò)通信功能，GPRS擴展AT指令如表2所示：

表1 常用AT指令

表2 GPRS通信擴展AT指令

3.3 加速度傳感器

因為本設(shè)計是面向車輛定位應(yīng)用的產(chǎn)品，因此產(chǎn)品應(yīng)該對車輛的行駛參數(shù)進行采樣。在該方案中，通過一片三軸加速度傳感器實現(xiàn)車輛移動探測，當車輛在行駛過程中并線、加減速、以及路過空洼地時產(chǎn)生各個方向的震動，均會通過三軸加速度傳感器探測到，依此來監(jiān)測車輛的狀態(tài)，用來實現(xiàn)車輛故障報警。當車輛長期停駛時，還可以將定位器休眠并進入車輛防盜狀態(tài)，此時若出現(xiàn)車輛非正常移動或震動，由加速度傳感器探測到異常并及時開啟通信模塊向指定的接收終端或者調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送報警信息。

3.4 整體硬件設(shè)計

如圖3所示，設(shè)備有兩個天線，衛(wèi)星接收天線的工作頻段大約在1559~1577MHz，而GPRS通信模塊有兩個中心頻率，分別是900MHz和1800MHz。理論上這兩個天線不存在直接的干擾，但考慮到射頻信號的鄰頻寄生效用，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中將兩個天線分別放置在設(shè)備的兩端，最大程度減弱相互之間的干擾。

圖3 定位器整體框圖

4.軟件設(shè)計

4.1 軟件處理流程設(shè)計

該設(shè)計中需要處理的數(shù)據(jù)量相對較少，但各種邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，需要在車輛的不同狀態(tài)下，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體的用戶參數(shù)配置進行數(shù)據(jù)上報任務(wù)，軟件采用主流程輪訓(xùn)，定時器中斷事件觸發(fā)驅(qū)動的機制設(shè)計。軟件流程圖設(shè)計如圖4所示。

4.2 經(jīng)緯度數(shù)據(jù)提取

圖4 中斷事件觸發(fā)及主程序流程管理

無論是GPS模塊，還是現(xiàn)在的北斗模塊，當模塊進入工作狀態(tài)后，每隔一定的時間，都會通過串口（UART）輸出一定格式的定位信息，該定位信息是符合標準協(xié)議的ASCII數(shù)據(jù)幀，包含許多種類型的信息，每條信息類型都有一個指示其類型的前導(dǎo)字符串，例如“GPGSV”是代表這條信息包含了可見衛(wèi)星信息，其中前面2個字符“GP”表示是GPS模塊的數(shù)據(jù)包，若是雙模模塊的則是“GNGSV”，而單獨北斗的是“BDGSV”，在此作者用XXGSV代替，如表3所示，每條信息都有固定的數(shù)據(jù)格式，因為有許多內(nèi)容都有重復(fù)。設(shè)計時可以根據(jù)實際需要只提取自己關(guān)心的那條數(shù)據(jù)即可。

表3 定位信息數(shù)據(jù)類型

在本設(shè)計中使用雙模定位模塊，根據(jù)實際應(yīng)用需要，我們只需關(guān)注“GNGGA”這條信息，這條信息總共包含了12項內(nèi)容。其中包含了時間信息，定位有效性信息，經(jīng)緯度地理位置信息，可見衛(wèi)星數(shù)量信息等。在本設(shè)計中采用中斷機制接收定位模塊數(shù)據(jù)，軟件流程圖如圖5-1所示。

4.3 經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送

完成定位數(shù)據(jù)提取后，下一步便是將提取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成自定義的數(shù)據(jù)協(xié)議格式，并通過GPRS回傳到指定的后臺服務(wù)器系統(tǒng)，由于不同的應(yīng)用場景下，后臺服務(wù)系統(tǒng)不同，在本文中不再進行論述。數(shù)據(jù)回傳任務(wù)是按照設(shè)定的時間間隔，將位置信息以及其他輔助狀態(tài)信息發(fā)送到服務(wù)器，若在車輛停止期間通過加速度傳感器檢測到車輛移動，也可以將該異常信息上報，實現(xiàn)防盜報警功能。流程圖如圖5-2所示。

圖5-1 接收定位數(shù)據(jù)流程圖

圖5-2 發(fā)送定位信息流程圖

5.結(jié)論

本文采用北斗二代定位模塊和GPRS模塊實現(xiàn)一種車輛定位裝置，可以在車輛行駛過程中實時上傳車輛位置信息及運行狀態(tài)。通過現(xiàn)場測量，定位精度以及定位速度均符合原模塊的技術(shù)要求。另外在定位裝置中內(nèi)置一片三軸加速度傳感器，實時監(jiān)測車輛狀態(tài)，尤其當車輛長期?？繒r，定位裝置啟用移動監(jiān)測功能，當檢測車輛非正常移動時，能夠及時發(fā)出報警信息，實際測試車輛在非正常移動后10秒便可以在測試終端收到報警提示信息，實現(xiàn)了對車輛防盜保護。

[1]魯郁 著 北斗/GPS雙模軟件接收機原理與實現(xiàn)技術(shù) 電子工業(yè)出版社 2016年5月

[2](美) John D.Kraus 著 章文勛 譯 天線（第三版） 電子工業(yè)出版社 2006年3月

[3]SIM900A_Hardware Design_V1.01.PDF SIM900A 硬件設(shè)計手冊 2010年10月

[4]UM220-III_N_user_manual_Rel_Ed1.PDF北斗二代模塊數(shù)據(jù)手冊 2013年07月