出租車車載監控設備的設計

　　摘要：本文根據出租車公司對車輛監控定位的要求，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控設備的設計，其中包括硬件方案和軟件方案的設計。該系統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模塊發送到出租車運營公司，為出租車公司對車輛的監控調度提供了方便。

　　關鍵詞：單片機;GPS模塊;GPRS模塊

　　0. 引言

　　隨著現代社會的快速發展，出租車作為城市公共交通的一部分，已經成為現代城市交通不可缺少的部分。但是隨之而來的出租車監控調度、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度管理，同時可以實時監控每輛出租車的安全狀況，針對這一問題我們開發了出租車車載監控設備，此系統大大方便了出租車公司對出租車的調度管理，同時還可以實時監控出租車的位置以及安全狀況。

　　1. 出租車車載監控設備的功能

　　出租車車載監控設備是出租車監控調度系統的一個組成部分，可以向出租車監控調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度，出租車載監控設備的功能如下：

　　1)信息采集功能

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

　　2)數據存儲功能

　　可以存儲車輛ID號、停車前15分鐘的速度信息以及連續行車時間等信息。

　　3)數據傳輸功能

　　可以將采集到的出租車實時信息通過GPRS發送到監控調度中心，并且可以接收來自監控調度中心的調度命令。

　　2. 系統硬件設計

　　系統以單片機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。系統框框圖見圖1。

　　2.1 單片機單元

　　系統采用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集成寄存器和常數發生器，可使單片機實現最大化的代碼效率;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模塊輸出的數據信息，分析并且提取接收到的有效信息數據，一方面對數據進行存儲，另一方面將信息通過GPRS模塊發送到出租車監控調度中心。

　　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星導航定位系統，可向全球用戶提供連續、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，已被廣泛用于軍事、經濟、地理信息測控及其他領域。GPS定位系統由以下三個部分組成：

　　(1)GPS衛星星座(空間部分)：24顆衛星(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4顆衛星，從而保障了地球上任何地點和時刻都能觀察到4顆衛星。它能發射L1和L2波段的信號。

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

　　(3)GPS信號接收機(用戶設備部分)：接收設備，主要由天線、電源、數據處理軟件以及微處理機及其終端設備組成。其基本結構是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛星，接收GPS衛星發射的信號。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衛星發送的導航電文，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、低功耗的智能型衛星接收模塊或稱作衛星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRF star III公司所設計的第三代衛星定位接收芯片，是一個完整的衛星定位接收器具備全方位功能。其系統結構如圖2，GPS Antenna(GPS天線)接收衛星信號，將微弱的電磁波能轉化為相應電流。電流經過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 系統結構圖

　　2.2.3 GPS模塊接口電路的設計

　　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的數據接收引腳RXA與數據發送引腳TXA分別與單片機的串口UART0(TXD0和RXD0)相連。GS-87的TXA引腳為串行數據輸出端口A，是主要的數據傳輸通道，用于輸出導航和測量的數據;RXA為串行數據接收端口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為輔助串行數據接收端口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。在車載監控設備設計中只需用到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)是通用無線分組業務的簡稱，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communications)系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接;是GSM Phase2.1規范實現的內容之一，能提供比現有GSM網9.6kbit/s更高的數據率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、調頻規則以及相同的TDMA幀結構。作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術，GPRS充分利用了現有移動通信網的設備，不需要改變無線網絡規劃與其拓撲結構，因而從很大程度上節省了移動網絡建設成本。它支持IP協議和X.25協議，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數據接入服務。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時只需要增加部分硬件設備和軟件升級即可。構建GPRS系統的方法：1)GPRS是在現有的GSM網絡基礎上實現的，在GSM網絡中引入了3個主要組件：GPRS服務支持結點(SGSN，Serving GPRS Supporting Node)、GPRS網關支持結點(GGSN，Gateway GPRS Supporting Node)以及分組控制單元(PCU，Package Control Unit)。2)對GSM的相關部件進行軟件升級。

　　GPRS的數據傳輸具有以下幾個特點：

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

　　由以上所描述的GPRS特點可看出，對于出租車載監控設備來說，采用GPRS無線通信技術完全滿足設計需要。應用GPRS技術在車載監控設備與監控調度中心之間建立起一座數據通信的橋梁，使得遠程實時監控、調度成為可能。隨著GPRS技術的不斷發展完善，基于GPRS的無線數據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]，它是車載監控設備與出租車公司監控調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、經度、緯度、速度、方向等)實時發送到出租車監控調度中心的服務器上;另一方面還可以接收來自出租車監控調度中心的調度命令。實現車載監控設備與監控調度中心的雙向通信。

　　2.3.3 GPRS接口電路設計

　　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模塊的數據接收端口與數據輸出端口，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為串行數據輸入輸出接口;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. 系統軟件設計

　　3.1 主程序功能

　　主程序負責初始化、開中斷、分析解析GPS數據、數據顯示指導系統進入各種相應的工作狀態。主程序流程圖見圖5a。

　　3.1 GPS數據接收程序設計

　　車載終端設備需要從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數據的含義。下面僅列出GPS固定數據輸出語句(GPRMC)輸出范例，各數據代表的意義如表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數據含義

　　Tab. 1 GPRMC data meaning

　　當GPS模塊有數據輸出時，單片機進入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數據頭標志即“$GPRMC”，若判斷到數據正確則程序進入數據接收模式，直到接收到“*”表示數據接收成功，否則退出中斷程序等待下次數據的到來。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數據發送程序設計

　　出租車車載監控設備可以將車輛的實時信息通過GPRS模塊發送到出租車監控調度中心以便監控調度中心掌握出租車運行狀況。單片機接收到GPS數據并且解析有效信息后，將需要發送到監控調度中心的信息(經緯度、速度等)存儲到數據發送緩沖器內，以便數據發送時調用。本設計采用定時器中斷方式進行數據發送，發送時間間隔為5S，當定時器定時5S溢出進入中斷后，執行數據發送程序，調用發送緩沖器內數據，通過GPRS模塊將數據發送到出租車監控調度中心。數據發送程序流程圖如圖5b：

　　4. 結論

　　目前車載GPS定位系統已經應用到民用、軍用各個行業。在本文出租車車載監控設備設計中其硬件以及軟件均采用模塊化設計，易于升級與維護。經過實際車載試驗，出租車載監控設備性能穩定，采集數據的精確程度以及發送數據的正確率都達到了預先設計要求。為出租車公司監控調度提供了良好的運營平臺，該系統具有良好的推廣價值和應用前景。