基于GPS/北斗和GPRS 的車載監控系統設計與開發

夏廣浩，馬萬太

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國是豬肉消費第一大國，肉品質量安全涉及“養殖—屠宰—物流—銷售”等多個環節，其中物流環節是處在生產和銷售之間的特殊環節，冷鏈運輸環節的物流周期等因素一旦控制不當，會影響肉類品質，造成經濟資源的浪費和對公共安全的潛在威脅[1]。對車載監控系統而言，安全有效的位置監控和與上位機的即時通訊是至關重要的，然而現在車輛導航儀大多使用GPS定位，無法適應北斗衛星定位系統應用越來越廣泛的潮流，此外缺少與控制中心的通訊也難以實現對肉品質量的監控。因此，開發基于GPS/北斗和GPRS 的車載監控系統成功彌補了上述產品的不足，對強化生產商—政府監管部門—消費者三位一體的全面監管、實施“放心肉工程”具有重要的理論意義和應用價值[2]。

1 系統總體方案設計

監控系統需要實現以下功能：1)及時發送與顯示數據；2) 對監控中心的命令做出反應。車載終端設備上的GPS/北斗衛星定位模塊接收到衛星定位數據后，經過數據提取獲得車輛的時間、經緯度和速度等有效信息，ARM處理器將這些地理信息進行處理，一方面顯示到車載終端LCD液晶顯示屏上，另一方面將其進行數據封裝后通過GPRS無線通信模塊發送至GPRS無線通信網上。GPRS網絡根據TCP/IP協議建立一條數據傳輸通道連接車載終端和接入網絡的監控中心[3]。監控中心將通過數據傳輸通道獲取數據包并拆封，從中獲取車輛的定位數據和狀態信息顯示到電子地圖上。監控中心通過數據傳輸通道將與車輛位置相關的地理信息傳輸給車載終端，從而在車載終端的LCD液晶顯示屏上予以顯示。監控中心根據車輛的行駛狀態及道路信息向車載終端發送相關控制指令和調度信息。冷鏈監控系統如圖1所示。

2 終端硬件設計

監控系統終端主要涉及到以下部分：ARM微控制器模塊、電源模塊、GPRS模塊、GPS/北斗模塊，其中GPRS模塊和GPS/北斗模塊通過串口接口與ARM控制器通信。GPS/北斗模塊采集車輛路線，GPRS模塊組建網絡并轉接至Internet服務器，電源模塊則為整個系統提供可靠的電源。此外，車載終端硬件還擴展了SDRAM存儲單元和Flash、液晶顯示器、SD擴展存儲、電源支持模塊、JTAG調試等功能。系統終端整體硬件結構如圖2所示。

2.1 微控制器模塊

設計選取ARM11系列的S3C6410芯片作為車載終端的微處理器。其具有功耗低、性價比高等特點，在移動通信以及通用處理等領域得到廣泛使用。S3C6410內部嵌入功能強大的硬件加速器，從而為GPRS網絡和3G網絡通信提供良好的硬件性能，包括各種音頻和視頻的加速處理。其工作主頻在533 MHz/667 MHz，最高可達到1 GHz以上[4]。

圖1 整體方案架構

圖2 終端硬件原理圖

2.2 GPRS模塊

SIM900是一款四頻GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝形式，同時采用了功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器[5]。SIM900A采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，支持標準AT指令，低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息通信。其通信接口如圖3所示。

圖3 GPRS模塊通信接口

2.3 GPS/北斗模塊

定位模塊選用TD3017A是一款基于TD1010基帶芯片的BD2 B1/GPS L1雙模衛星導航模塊。單板集成雙模基帶芯片和雙模射頻芯片，可同時接入BD2 B1和GPS L1信號。外部采用3.3 V電源供電，另外TD3017A模塊支持有源天線供電(3.3 V)。TD3017A模塊采用28 pin郵票孔封裝(40 mm×30 mm×3.5 mm)。TD3017A模塊內部具備天線狀態監測和天線短路保護功能，支持休眠工作模式，支持模塊軟件升級等功能[6]。TD3017A符合“北斗應用推廣小組”類型IV規格、中標交通部“重點運輸過程監控管理服務示范系統工程BD2 B1/GPS L1雙模模塊選型項目”。其原理圖如圖4所示。

2.4 電源模塊

采用LM2576HV芯片將12 V汽車電壓轉換為5 V電壓，其輸出電流穩定在3 A，它內部包含有固定頻率的振蕩器以及基礎穩壓器，還設計了完善的電流限制保護電路。SIM900A采用VBAT為3.4 V到4.5 V的單電源供電。在某些環境中，如突然產生的信號傳輸會使芯片的電壓陡降，從而導致電流損耗的極值急劇上升到2 A。經檢測，此款芯片滿足要求。

3 系統軟件設計

車載終端的軟件設計包括搭建軟件開發環境和開發實現各項功能的應用程序。搭建軟件開發環境主要工作是進行嵌入式操作系統的移植，設計采用操作系統為紅帽企業版6。應用程序的開發是在Qtcreator軟件中進行圖形界面的設計，代碼編寫采用C++編程語言，實現包括GPS/北斗信息采集功能，GPRS通信功能、撥打電話功能等。軟件系統框架如圖5所示。

3.1 嵌入式Linux開發環境搭建

將嵌入式操作系統加入車載終端的軟件系統中，可以實現進程的有序調度和管理，使整個系統能夠運行在安全且穩定的環境下，同時后期應用程序可以直接在操作系統開發，使系統擁有更好的擴展性[7]。嵌入式Linux系統主要分為4個軟件層次：1) 引導加載程序，即固化在硬件中的Bootloader。2) 為嵌入式開發板專門定制Linux內核。設計內核版本選擇Linux-3.0.1。3) 文件系統，包含根文件系統和用戶文件系統。選用YAFFS2作為系統的根文件系統。 4) 特定于用戶的應用程序，為了增加可操作性還會加入圖形用戶界面(GUI)。本文采用Qt/Embedded(簡稱Qt/E)，其是Qt的嵌入式版本。

圖4 定位模塊電路設計

圖5 系統軟件框架

3.2 GPS模塊程序設計

GPS模塊接收的報文信息符合NMEA-0183標準口。其標準下包含很多種類語句，系統中車載終端只需要基本的定位信息即可，所以提取GPRMC這條語句。GPS數據提取程序設計主要分為4個步驟：1)串口初始化：打開串口，設置串口參數，波特率設為4 800 bps，數據位設為8，停止位設為1，無奇偶校驗。初始化操作通過Port_init()函數實現。2) 提取RMC語句：從GPS信息流語句中檢索$GPRMC開頭的數據幀，提取出RMC信息。3) 從RMC語句中提取定位信息：將RMC中的定位信息包括時間、經度和緯度、速度等提取轉化出來。4) LCD顯示及信息傳送：將定位信息顯示到LCD上，并將信息發送到GPRS緩沖區，等待GPRS發送至監控中心。

3.3 GPRS通信模塊程序設計

GPRS通信模塊數據通信工作主要分為3個步驟：1) 初始化GPRS模塊，通過點到點協議(PPP，point to point)建立GPRS網絡通訊鏈路。2) 通過Qt應用編程建立車載終端與監控中心的TCP/IP連接。3)編寫socket程序進行數據傳輸。

4 系統測試結果分析

車載監控系統軟硬件設計完成之后，對系統的各個功能部分進行測試。測試主要分為終端系統功能測試和監控中心系統功能測試[8]。對定位模塊的測試中，將測量的經緯度取平均值與標準經緯度進行距離轉換，計算出定位誤差約為8 m。滿足車輛定位的基本要求。對通訊模塊的測試中，對終端發送和監控中心接收到的數據信息進行對比，信息包括時間、車輛的經度、緯度、速度以及車廂溫度等信息。監控中心接收數據與車載終端發送數據一致，說明數據傳輸正確，GPRS無線傳輸模塊測試成功。對監控中心的測試中，測試結果顯示車載監控系統能夠有效地實現對冷鏈物流運輸過程的實時監控。GIS地圖監控軟件能夠完成對電子地圖和車載運行軌跡的顯示，顯示效果良好。對車載監控系統的測試結果顯示其能夠有效的實現對冷鏈物流運輸過程的實時監控。

5 結語

設計基于GPS/北斗和GPRS 的車載監控系統，成本低、體積小、運行穩定，解決了運輸環節產品信息的數據同步以及產品的追溯，完善了整個產品追溯體系，為其他類似監控對象提供了一種解決方案。

[1] 呂峰，林勇毅. 我國食品冷鏈的現狀與發展趨勢[J]. 福建農業大學學報，2000，29(1)：34-36.

[2] 張敏，談向東，張杰. 現代食品冷鏈物流的現狀與發展趨勢[J]. 商場現代化，2007，(7Z)：137-138.

[3] 孟麗華. 基于GPS/GPRS/GIS技術的車輛監控調度中心系統的研究[D]. 濟南：山東科技大學，2008.

[4] 譚金，孟志強，丁偉. 基于ARM的車載導航定位終端硬件設計[J]. 微計算機信息，2006，22(20)：142-144.

[5] 韓斌杰. GPRS原理及其網絡優化[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[6] 耿大威. 基于北斗/GPS雙模衛星定位系統的車載終端設計[D]. 青島：中國海洋大學，2013.

[7] 趙小廠. 基于移動GIS和GPRS技術的數據采集系統研究[D]. 上海：華東師范大學，2011.