基于ARM的車輛位置監控系統設計與實現

董簡然,封維忠

(南京林業大學 信息科學技術學院,江蘇 南京 210037)

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基于ARM的車輛位置監控系統設計與實現

董簡然,封維忠

(南京林業大學 信息科學技術學院,江蘇 南京 210037)

設計一款依靠準確的數據定位配合通信技術及電子地圖的車輛位置監控系統，用來實現車輛和監控中心信息交互,提高交通運行效率和改善交通擁擠現象。利用微處理器ARM@ CortexTM-M3處理GPS接收到的衛星信號,通過GPRS模塊將運算和整理后的數據發送到互聯網,上位機根據程序接收互聯網上的數據調用谷歌地圖實時顯示車輛位置信息。借助此系統能夠直觀且方便對車輛位置分析和管理調度,達到監控的目的。

STM32;硬件設計;軟件設計;車輛監控系統

0 引 言

目前我國正處在經濟飛速增長的階段,除了工程車輛的管理調度問題,如火如荼的物流行業的快速、可靠、穩定運送效率,以及出租車存在著很大的空客率,究其原因是缺少對物流車輛和乘客車輛合理科學的監控和調度。如何對車輛進行有效的管理、科學的調度、安全的運營成為解決當前緊張交通局勢的首要問題。GPS全球定位系統的建立以及我國通訊事業的迅猛發展為廣大用戶提供了廉價的定位手段,促進了車輛監控與調度系統的發展。

1 系統設計

GPS定位技術使車輛位置監控中的實時數據跟蹤成為可能,通信技術則在GIS軟件平臺和GPS之間建立起了一座數據通信的橋梁,實現遠程通信。本文設計的車輛位置監控系統如圖1所示。

圖1 系統總體框架

2 硬件電路設計

本文設計的車輛位置監控系統所涉及到的硬件部分主要包括ARM@ CortexTM-M3微處理器,GPS模塊電路,GPRS模塊電路等。硬件總體思路如下:先設計STM32F103ZET6硬件電路,再設計處理單元與傳感器的外圍電路[1]。搭建這些硬件電路,分步驟調試測量。

2.1 STM32F103ZET6硬件電路設計

STM32F103ZET6使用高性能的ARM@ CortexTM-M3,32位的RISC內核,工作頻率為36 MHz,內置高速存儲器(高達128K字節的閃和16K存字節的SRAM),豐富地增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設,包含標準的通信接口(2個I2C接口、2個SPI接口和3個USART接口),一個12位ADC和3個通用16位定時器。

ARM@ CortexTM-M3處理器為實現MCU的需要提供了低成本平臺,降低系統功耗,同時提供卓越的計算性能和先進中斷系統響應。STM32F103ZET6內置嵌套的向量式中斷控制器,能夠處理多達43個可屏蔽中斷通道(不包括16個CortexTM-M3的中斷線)和16個優先級,該模塊以最小的中斷延遲提供靈活中斷管理功能。外部中斷/事件控制器包含19個邊沿檢測器,用于產生中斷/事件請求。每個中斷線都可以獨立地配置它的觸發事件(上升沿或下降沿或雙邊沿),并能夠單獨地被屏蔽;有一個掛起寄存器維持所有中斷請求的狀態。EXTI可以檢測到脈沖寬度小于內部APB2的時鐘周期。多達80個通用I/O口連接到16個外部中斷線。USART1接口通信速率可達2.25兆位/秒。USART接口具有硬件的CTS和RTS信號管理、支持IrDA SIR ENDEC傳輸編解碼、兼容ISO7816的智能卡并提供LIN主/從功能。所有USART接口都可以使用DMA操作。

STM32F103ZET6工作于-40℃至+85℃溫度范圍,供電電壓為2.0V至3.6V,省電模式保證低功耗的要求。該芯片能夠有效且穩定地滿足硬件系統的要求。

2.2 外圍電路設計

由于傳感器模塊輸出的電平是RS232電平,而ARM處理器采用的是TTL電平。RS232電平邏輯1的為-3～-15V,邏輯0的為+3～+15V,TTL器件輸出是低電平小于0.8V,高電平大于2.4V. 輸入低于1.2V是邏輯0,高于2.0V是邏輯1.故而這里需要采用電平轉換步驟,將RS232電平轉換成TTL電平,否則會損壞器件。

圖2 電平轉換電路設計

本文采用MAXIM公司生產的MAX232芯片,該為RS-232標準串口專門設計的一款單電源電平轉換芯片,它使用+5V電源供電。設計電路如圖2所示[1]。

3 系統軟件設計

3.1 車輛位置監控系統的軟件設計

本文采用STM32F103ZET6單片機作為系統控制的核心,用于實現接收數據,處理計算以及發送數據的主要功能,控制著整個系統各模塊的正常運行;系統電源為微控制器、外部傳感器及通信模塊提供電源;外部時鐘為微控制器提供RTC和系統時鐘;SRAM用來存儲 GPS 原始數據;外部傳感器和通信模塊的電源控制模塊用于微控制器實現對外部傳感器和通信模塊的電源控制;系統復位用于系統工作異常時系統強制產生復位信號;電平轉換、外部傳感器及通信接口實現ARM微控制器與外圍設備的正常通信。

其中系統軟件設計流程如圖3所示。

圖3 統軟件設計流程

另外,GPS模塊出來的數據并不能直接使用,需要把時間,經緯度,經緯度方向,衛星數量等信息提取出來,將ASCII轉換成十進制格式數據,將度分的格式轉換成度的形式,最終通過GPRS模塊發送出去。

3.2 車輛監控系統上位機軟件設計

前文主要講了車輛位置監控系統的軟硬件部分,總體調試通過測試。GPRS模塊發送的數據最終到達指定IP地址的上位機[2]。接下來的部分就是要編寫接收程序[3],接收數據并嵌套谷歌地圖,使車輛的位置在地圖上實時顯示并標志。

上位機的軟件是采用VC++工具[3]編寫的MFC界面設計[4],首先通過異步套接字程序接收數據并作相應的處理[2],接著調用Google Earth提供的API函數,程序自動打開地圖,顯示車輛的位置等信息,每隔一段時間刷新一次,重新顯示車輛具體位置[5],如圖4所示。

圖4 上位機設計總體思路

因為車輛位置監控系統的發送數據采用的UDP方式,所以在PC機界面設計中,依舊采用了UDP方式接收數據,該方法沒有確認和數據重傳機制,實時性較TCP強,適用于小數據量的傳輸[2]。

本程序先通過IsInitialized()和IsOnline()進行判斷,用戶是否啟動了客戶端并連接上Google Earth的服務器,如果未啟動和連接,則調用COM庫的函數CreateDispatch()創建Google Earth,如圖5所示,客戶端的實例如圖6所示[5],除了這些之外,還有標記車輛位置的函數,因為車輛定位是直接顯示在客戶端的中心位置,然后利用標記函數根據接收數據標記。

圖5 客戶端啟動流程

圖6 客戶端實例

4 實驗測試

設計過程中采用自下而上的方法,從單個模塊開始,分別設計其軟硬件,完成后進行調試,單個調試通過再將系統組裝進行總的調試,最終,系統軟硬件工作良好,上位機接收數據正常,車輛位置監控正常,符合系統設計的要求。

系統性能進行試驗測試,系統的實驗數據如表1所示,其中,測試地點為學校的各個地點,監控位置值為所設計系統中上位機接收并顯示在谷歌地圖上的地理位置,實際值為通過Magellan Triton 300所得到的實際地理位置。

Magellan Triton 300是具有高靈敏度天線的手持GPS,內置信號增強接收器(WAAS、EGNOS)可達到3 m精度,穩定可靠可以作為實際地理位置的檢驗標準。

表1 系統測試實驗數據

最終測試,本系統接收數據正常,定位正常,在地圖上會自動標示出車輛的位置,并每隔一段時間重新接收數據刷新位置。

5 結束語

以STM32作為處理器即整個系統的控制部分,利用GPS模塊接收衛星傳來的位置、時間等信息,用GPRS作為數據傳輸部分,將數據傳送到指定IP的上位機上[2],采用異步套接字的方法編寫程序[3]接收數據,并在程序中嵌套谷歌地圖[5],最終數據轉換成能在谷歌地圖顯示的格式。實現實時車輛位置監控,能夠有效針對整個公路系統的車流量進行優化以增加交通容量,提高車輛的運行安全系數,改善傳統的交通運輸狀況。

[1] 張偉.Protel電路板設計與制作實戰訓練[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2] SCAGLIA S.嵌入式Internet TCP/IP基礎、實現及應用[M].北京:北京航天航空大學出版社,2008.

[3] 孫鑫,余安萍.VC++深入詳解[M].北京:電子工業出版社,2006.

[4] PROSISE J.MFC Windows程序設計[M].北京:清華大學出版社,2007.

[5] 江寬,龔小鵬.Google API開發詳解[M].北京:電子工業出版社,2010.

[6] 武建軍.基于GPS和GPRS的車輛位置研究[D].南京:南京林業大學,2010.

[7] 張爍,徐愛功,孫貴博.基于移動GIS的GPS定位導航系統的設計與實現[J].北京:計算機系統應用,2010,19(7):32-36.

Design and Implemetation on ARM Based Vehicle Location Monitoring System

DONG Jianran,FENG Weizhong

(CollegeofInformationScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

Design a monitoring system to rely on accurate data positioning, which cooperate with communication technology and electronic map to achieve vehicle and monitoring center information interaction,increasing the traffic efficiency and improving the traffic congestion.Using the microprocessor ARM@ CortexTM-M3 processing the satellite signal from GPS,calculating and arranging the data through GPRS module send to internet,the host computer according to program to receive the data of internet then called Google maps show the information of vehicle location in real time.With the help of the system,which can be used to analyze and manage the vehicle position in direct and convenient way.

STM32; hardware design; software design; vehicle monitoring system

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.014

2016-10-10

TP391

A

1008-9268(2017)02-0063-04

董簡然 (1993-),男,貴州遵義人,碩士生,研究方向為自動控制系統的研究與開發。

封維忠 (1950-),男,江蘇南京人,教授,研究方向為計算機測控技術。

聯系人: 董簡然E-mail: 1956610836@qq.com