GPS汽车定位系统车载终端的设计_图文

1、密 级:本 科 生 毕 业 (设 计 论 文 GPS 汽车定位系统车载终端的设计系 别:电子信息工程系专 业:电子信息工程班 级: 06电子本科班学生姓名:张赞指导老师:李翠梅完成日期: 2010-4-25 学士学位论文原创性申明本人郑重申明:所呈交的设计(论文是本人在指导老师的指导下独立进 行研究, 所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外, 本设计 (论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申 明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名(手写 :签字日期:年 月 日学位论文版权使用授

2、权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权 江西蓝天学院 可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 (请在以上相应方框内打“” 学位论文作者签名(手写 :指导老师签名(手写 :签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日摘要随着我国经济的迅速发展,国人消费水平也呈现了飞速增长,汽车的数量也随 着迅速增加。我国 GPS 车辆定位系统市场现在已进入规模发展时期,本文对 GPS 汽车定位系统运用到的技术理论基础作出了详细的

3、介绍, 并分别提供了 GPS 定位车 载终端的硬件和软件的具体设计方案。GPS 即全球定位系统,它是一个中距离圆形轨道卫星定位系统,可以为地球表 面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基准。 GPRS 是在 GSM 的系统基础上 引入新的部件而构成的无线数据传输系统。 它的基本功能是在移动终端、 GPRS 网内 以及和 Internet 网络的路由器之间传输分组数据。根据现代智能交通系统的实际 需求,本文设计了一种基于 GPRS 的车载卫星定位系统,系统采用单片机作为处理 器,通过 GPRS 网络建立无线通信链路,把车载移动终端的 GPS 定位信息传到 Internet 网上的服务器,实现

4、在线实时监测车辆行驶各类信息,实现了控制中心 实时监测车辆行驶状态,完成了车辆定位的目的 。关键词:GPS 车辆定位 ;全球定位系统 ;导航定位ABSTRACTAs China's rapid economic development, people also show a rapid consumption growth in the number of vehicles has also increased as rapidly. GPS vehicle location system in China has now entered the scale of the market

5、 development period, this article on the use of GPS vehicle positioning system technology theory to make a detailed introduction, and each vehicle terminal provides GPS positioning of specific hardware and software design.GPS or global positioning system, it is a middle-distance circular orbit satel

6、lite positioning system, most parts of the earth's surface can provide accurate positioning and high precision time base. GPRS in the GSM system is based on the introduction of new components which constitute the wireless data transmission system. Its basic function is in the mobile terminal, GP

7、RS networks and Internet networks within and between the router packet data transmission. According to the actual modern intelligent transportation systems, this paper designs a GPRS-based vehicle positioning system, the system uses single chip as the processor, through the GPRS network to establish

8、 wireless communication link, the mobile terminal's GPS location information transmitted online Internet server, to achieve real-time monitoring online traffic information of all types to achieve a real-time monitoring traffic control center in the state, completed a vehicle positioning purposes

9、.KEY WORDS:GPS vehicle location; Global Positioning System; Navigation目录第 6章 结论与展望 . . 25参考文献 . . 26致谢 . . 27第 1章 引言1.1 课题背景随着我国经济的发展 , 汽车行业已成为我国一个迅猛发展的巨大产业。经过多 年的发展和培育 , 我国 GPS 车辆跟踪定位系统市场现在已进入规模发展时期。 尤其 是北京市申奥及物流配送推动的 GPS 车辆跟踪市场的发展 , 促使松下、 健伍、 阿尔 派等国际汽车电子企业寻求国内地图厂商作为合作伙伴 , 展开了对中国车载导航市 场的争夺 ; 国内企业也不

10、示弱 , 新科、上广电、康佳等国内家电巨头推出了车载导 航产品及开发计划。各路诸侯云集 , 市场急剧升温 。我国 GPS 车辆监控系统应用走过了及其缓慢的发展道路。 1999年 2004年 ,GPS 车辆监控系统市场出现了快速增长的势头, 随着我国 GSM 数字移动通信系统 的快速发展与全国普及,作为系统瓶颈问题的通信网络,通过采用 GSM 公众网的短 消息服务,找到了新的出路。而在国外,这方面的研究早已开始并取得了一定的成 果。 像欧美、 日本等国, 利用 GPS 技术的自主导航产品非常普及。 世界上有超过 100家的公司正在研制各种各样的 GPS 用户接收机。其中车辆应用所占的比重最大 。

11、1.2 课题研究目的、意义及来源改革开放以来,我国经济始终处于高速发展的轨道上。水涨船高,国人消费水 平也呈现了飞速增长,汽车购买市场呈现出巨大的潜力。并且随着我国加入 WTO , 众多世界知名汽车生产厂商涌入我国建立汽车生产基地,又极大的提高了我国的汽 车生产能力,从而导致我国汽车价格大幅下降,因此,在我国汽车进入千家万户就 只是一个时间问题。可以预测,在一个相当长的时期内,我国汽车市场将呈现一片 蓬勃发展的繁荣景象。但如此同时,因现在我国汽车防盗、防抢手段十分薄弱,犯 罪分子往往就将价值不菲的机动车辆作为盗窃或抢劫作案的对象,广大车主的生命 和财产安全受到极大的威胁,社会影响极为恶劣。这样

12、的一种严峻形势迫使车主、杨天军,杨晓光 . GPS/GIS车辆实时监控调度系统研究 . 城市交通 . 2004年第一期 23-24夏红霞,周宏,杨红云 . 基于 GIS/GPS车辆监控系统实现及关键技术 . 微机发展 . Vol.14 No.8 Aug.2004保险公司、公安部门都在迫切的寻求一种安全、快捷而有效的反偷盗、抢劫车辆的 手段。而 GPS 车辆监控系统采用 GPS 卫星定位技术,可以准确测定车辆位置,可谓 是反偷盗、抢劫车辆的“杀手锏”。其次,由于近年来国内机动车辆的剧增,同时 城市道路设施建设工作却没有呈同步的发展。因此,在我国绝大部分大中城市都存 在着不同程度的交通拥挤和堵塞问

13、题,给国人的工作、生活以及出行造成了极大的 不便。以疏通交通和提高运输能力为目的的宏观交通控制己成为我国交通管理领域 迫切的需求。此外,我国入世后国内市场逐步放开,物流业与通讯、保险和银行等行业一起 成为冲击比较大的行业。信息化、网络化、社会化是国际上现代物流企业的发展趋 势。但长期以来,我国的运输资源利用不当、业内沟通不畅等问题一直困扰着我国 物流行业的发展。并且一些国内专家通过对西方一些发达国家进行考察发现 :发达 国家公路的空驶率低,关键在于应用了信息管理技术,通过卫星定位系统对车辆进 行有效的监控和调度。 因此, 我国急待加强现代车辆监控系统在物流行业中的应用, 以优化我国物流企业资源

14、配置,提高其竞争力 。综上所述,将车辆监控系统运用于我国的交通运输行业具有非常重要的现实意 义,可以创造良好的社会效益和经济效益。1.3 国内外发展现状GPS 车载监控系统主要由三个部分组成 :GPS车载终端、通信链路、监控中心。 其中 GPS 导航设备一般由国外几个大的公司开发生产, 技术比较完善, 己经标准化、 系列化,可以作为一个模块来使用。通信链路有多种实现方案,如无线电台、微波 网、集群通信网和 GSM 网等。我国先后利用 GSM 网和集群通信网分别建立了几个车 辆监控调度系统,如上海的“ 981”路 GPS 公交定位系统等。但是在实际运营中, 这些 GPS 车辆监控系统都或多或少出

15、现了一些设计问题,特别是在我国由于各种各 样的原因,国内兴建的 GPS 车辆监控服务系统真正具有实用价值的还非常少。究其张元良,邓华,杜晶 . GPS 车辆定位系统监控软件的关键技术分析与设计 . 计算技术与自动化 . 2003年 3月: 32-33原因,主要是国内 GPS 车辆监控系统存在两大“瓶颈”限制 :容量小和实时性差 。 从技术角度上来说, 出现容量小、 实时性差的原因主要是通信链路的选用问题。 以时间为序,车辆监控系统采用的通信方案依次有无线电台、集群通信网和 GSM 短 信息服务。但从国内实际使用的情况来看,无论是无线电台、集群通信网还是 GSM 短信息,效果都不理想。集群通信网

16、有优先等级,调度功能强,加密性能好,但同 时规模经济效益差,通信成本高,可靠性差。因此采用了 GSM 短信息服务, GSM 网 在规模和技术上优势明显,同时还有漫游和越区切换功能,在广域车辆监控系统中 占有很大优势。故而,在车载监控系统中采用 GSM 短消息为通信手段的方案占有较 大的市场,但实际上 GSM 短信息服务还是不能满足 GPS 车辆监控系统中数据实时传 输的要求。因此 , 在 GPRS 出现之后 , 车载卫星定位开始转向基于 GPRS 的开发与应用。 GPRS 是通用分组无线业务的简称 , 是 GSM 网络的升级版 , 也被称作 2.5 G 网络。 GPRS 已经成为在现有的基础设

17、施中以最少的投入、实现投资利润最大化的一种最 佳解决方案。 GPRS 的技术特点表现在 : 移动数据传输速率高 , 最高可达 17112 kbps ; 呼叫建立快 , 只要手机登陆 GPRS 网络就可以一直在线 ; 收费低 ,GPRS 按流 量收费 , 而且可以包月 ; 支持突发、连续、高速和低速数据业务。基于 GPRS 的车 载卫星定位系统有着可实时监测、通信费用低 , 永远在线等优点 , 有着广泛的应用 前景。1.4 本文所做的主要工作本课题是结合 GPS 、 GPRS 和嵌入式系统等技术的综合性工程实践。在实际设计 中,笔者的工作主要围绕车载终端的软硬件设计进行展开,研究内容涉及到 GP

18、S 卫 星定位, GPRS 移动通信,嵌入式系统应用等多个领域,大致可以分为理论研究 和工程设计两个阶段。理论研究主要是指对 GPS 卫星定位和 GPRS 无线传输的理论 认知。 对于 GPS 卫星定位系统, 着重研究 GPS 卫星定位系统的工作原理、 数据处理、 误差分析和数据优化等。对于 GPRS 无线通信网,重在 GPRS 网络结构、系统的数据张李勇,腾继涛 . 基于 GPS 的运营车辆监控调度 . 计算机工程 . 2004年 1月:22-24传输、网络技术和性能分析等方面。设计是笔者的工作重点,其主要任务是通过 GPRS 无线通信平台,实现 GPS 定 位信息的实时传输,同时提供多种管

19、理调度功能。因此,定位数据传输的实时性是 工程设计的核心所在。论文从硬件设计和软件设计两个方面阐述如何达到这个目 标。 硬件方面通过采用嵌入式系统、 GPS 卫星采集模块和 GPRS 无线通信模块提供资 源保障,软件方面以嵌入式操作系统为基编写各层程序完成系统各项功能。第 2章 课题的相关理论和技术2.1 GPS全球卫星定位系统GPS 是英文 Global Positioning System(全球定位系统 的简称,而其中文简称为 “ 球 位系 ” 。 GPS 是 20世纪 70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航 定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全

20、球性的导 航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球 战略的重要组成。经过 20余年的研究实验,耗资 300亿美元,到 1994年 3月,全 球覆盖率高达 98%的 24颗 GPS 卫星星座己布设完成。GPS 系统主要包括有三大组成部分即空间星座部分、地面控制部分和用户接收 部分。(1 GPS空间星座部分GPS 的空间星座部分由 24颗卫星 (3颗备用卫星 组成。卫星轨道分布在 6个轨 道面内,每个轨道上分布有 4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55度, 各轨道平面升交点的赤经相差 60度。 在相邻轨道上, 卫星的升交距相差 30度。 轨道平均高度约为

21、 20200千米,卫星运行周期为 11小时 58分。因此,在同一观测 站上,每天出现的卫星分布图形相同,只是每天提前 4分钟。每颗卫星每天约有 5个小时在地平线以上,同时位于地平线上的卫星数目,随时间和地点而异,最少 4颗,最多可达 11颗。空间部分的 3颗备用卫星,可在必要时根据指令代替发生故 障的卫星, 这对于保障 GPS 空间部分正常而高效的工作是极其重要的。 图 2.1是 GPS 星座图和卫星照片。 图 2.1 GPS星座图和卫星图卫 星 向 地 面 发 射 两 个 波 段 的 载 波 信 号 , 载 波 信 号 频 率 分 别 为 L1波 段 (1.57542GHz 和 L2波段(1

22、.2276GHz 。卫星上安装了精度很高的原子钟,以确 保频率的稳定性;在载波上调制有表示卫星位置的广播星历,用于测距的 C/A代码 (粗捕获码和 P 代码(精码,以及其它系统信息,能在全球范围内,向任意多 用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。每颗 卫星在 L 波段的两个频率上连续发射用 C/A代码、 P 代码调制的扩频信号。为了接 收来自卫星的信息, GPS 接收机必须了解各个卫星固有代码 。(2GPS地面控制部分地面控制部分是整个系统的中枢,由美国国防部管理,它由分布在全球的一个 主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说, GPS 卫星是一动

23、 态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算 得的。每颗 GPS 卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备 是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和 控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准 GPS 时间 系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出时钟差,然后由地面注入站发给 卫星,卫星再以导航电文的形式发给用户设备。刘基余 . GPS 卫星导航定位原理与方法 M . 北京 :科学出版社 ,2003:30-32(3 GPS用户接收部分用户接收部分主要由以无线电传感和计算机技术支撑的 GPS 卫星接

24、收机和 GPS 数据处理软件构成。 GPS 卫星接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待 测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的 GPS 信号进行变换、放大和 处理,以便测量出 GPS 信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出 GPS 卫星所发 送的导航电文,实时地计算出观测站的三维位置,甚至三维速度和时间,最终实现 利用 GPS 进行导航和定位的目的。GPS 定位是利用三点定位原理,即知道未知点到已知点的距离,未知点必然位 于以已知点为球心、距离为半径的球上,测出未知点和三个已知点的距离,则未知 点在三个球圆周的相交处(为两个点时,因有接收方向,故有一个处于接收背面的 点可以

25、舍去,从而准确的测出未知点的位置。实质为利用在平均 2O200km 高空均 匀分布在 6个轨道上的 24颗卫星发射测距信号码和载波,用户通过 GPS 接收机接 收这些信号测量卫星至接收机距离,通过一系列方程演算便可知地面点位置坐标 。 具体方法如下所述。根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据,采用空间 距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图 2.2所示。图 2.2 GPS定位原理示意图假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机,可以测定 GPS 信号到达接收机的 李征航 , 黄劲松 . GPS 测量与数据处理 M . 武汉 :武汉大学出版社 ,2005:24-26 时间 t ,

26、再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式 :上述四个方程式中 x 、 y 、 z 和 Vto 为未知参数,其中 di=c ti (i =1、 2、 3、 4。 x 、 y 、 z 为待测点空间直角坐标。 Xi 、 Yi 、 Zi (i =1、 2、 3、 4分别为卫星 1、 卫星 2、 卫星 3和卫星 4在 t 时刻的空间坐标, 可由 GPS 卫星导航电文求得。 Vti (i =1、 2、 3、 4分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3和卫星 4的原子钟的钟差,由卫 星星历提供。 Vto 为接收机的钟差。 di (i =1、 2、 3、 4分别为卫星 1、卫星 2、 卫星 3

27、和卫星 4到接收机的距离。 ti (i =1、 2、 3、 4分别为卫星 1、卫星 2、 卫星 3和卫星 4的信号到接收机所经历的时间。 c 为信号的传播速度(即光速。 把各项已知数据带入上述方程组,即可求得待测点空间坐标 x 、 y 、 z 和接收机的钟 差 Vto 。全球定位系统的主要特点:1、全球、 全天候工作。2、定位精度高。单击定位精度优于 10m ,采用差分定位,精度可达厘米级和 毫米级。3、功能多,应用广。GPS 系统的特点:高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。 1、定位精度高应用实践已经证明, GPS 相对定位精度在 50KM 以内可达 10-6, 100-5

28、00KM 可 达 10-7, 1000KM 可达 10-9。在 300-1500M 工程精密定位中, 1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于 1mm ,与 ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较,其 边长较差最大为 0.5mm, 校差中误差为 0.3mm 。2、观测时间短随着 GPS 系统的不断完善, 软件的不断更新, 目前, 20KM 以内相对静态定位, 仅需 15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在 15KM 以内时,流动站观测时间只需 1-2分钟,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟。 3、测站间无须通视 GPS 测量不要求测站之间互相通视,只需测站上空开阔

29、即 可,因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视,点位位置可根据需要,可稀 可密, 使选点工作甚为灵活, 也可省去经典大地网中的传算点、 过渡点的测量工作。 4、可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。 GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标。目前 GPS 水准可满足四等水准测量的精度。 5、操作简便 随着 GPS 接收机不断改进,自动化程度越来越高,有的已达“傻 瓜化”的程度;接收机的体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻测量工作者的 工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。6、 全天候作业 目前 GPS 观测可在一天 24小时内的任何时间进行 , 不受阴天黑

30、 夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。7、功能多、应用广 GPS 系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。 测速的精度可达 0.1M/S,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 GPS 系统的应用前景当初, 设计 GPS 系统的主要目的是用于导航, 收集情报等军事目的。 但是,后来的应用开发表明, GPS 系统不仅能够达到上述目的,而且用 GPS 卫星 发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米 级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。 因此, GPS 系统展现了极其广阔的应用前景。车载导航系统的最新发展趋势是利用蓝牙

31、 (Bluetooth无线技术,接收车载 GPS 传送过来的信号。这样,车载系统只需要接收和处理卫星信号,显示装置则负责地 图的存储和位置的重叠。所以,如果已经有了掌上型电脑,只需要购买一个信号接收器和成图软件就可以了;掌上电脑就做到了一机多用。其实,很多手机已经具备 了 GPS 的功能,若是加上了地图的重叠功能,就可以变成一套移动导航系统。2.2 GPRS无线通信技术GPRS (General Packet Radio Service 是通用分组无线业务的简称,它是 2.5代移动通信系统,是 GSM 向 3G 的过渡。 GPRS 和以往连续在频道传输的方式不同,是以 封包(Packet 式来

32、传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整 个频道,理论上较为便宜。 GPRS 的传输速率可提升至 56甚至 114Kbps 。GPRS 是移动通信迅猛发展和数据无线传输需求双重作用下催生的产物, 这主要 体现为:随着 3G 标准的出台和用户对移动多媒体业务的需求急剧增长,现有的 GSM 网络将不可避免地向 3G 演变,但是这个演变过程无法一蹴而就;随着因特网应用的迅速增加,在全球范围内,用户对移动数据通信的需求也 呈增长态势, 如何让现有 GSM 网络共享 Internet 上的资源的问题催生了 GPRS 技术; GSM 网采用电路交换的方式传输数据,数据传送速率受限于

33、 9.6Kbps 的低水 平,且费用过高。随着高速移动数据业务的增长, GSM 不得不推出移动数据规范: HSCSD (高速电路交换数据业务和 GPRS (通用无线分组业务,其中 GPRS 应用前 景被普遍看好。 GPRS 是 GSM Phase 2+引入的非常重要的内容之一,与 GSM 电路交 换相比, GPRS 非常重要的优点是引入了分组交换能力 。 利用 GPRS 进行数据传输具 有如下特点:覆盖范围广, GPRS 是在现有的 GSM 网上进行升级, 可充分利用全国范围的蜂 窝电话网络,方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的服务; 数据传输速度快,数据传输速度最高可达到 1

34、73Kbps ,是当前 GSM 网络中电 路数据交换业务速度的十几倍, 下一代 GPRS 业务的速度甚至可以达到 384kbps , 完 全可以满足用户应用需求;张守信 , 黄学德 . GPS 技术与应用 M . 北京 :国防工业出版社 ,2004:12-14快捷登录, GPRS 接入等待时间短,建立连接,平均耗时为两秒;永远在线,“永远在线”或叫“实时在线”保持用户分配的 IP 地址不变, 即使没有数据传送,终端还一直与网络保持联系,使得访问服务非常简单、快速; 按流量计费,计费是按照用户收发数据的数据量来计算的,用户只有在发送 或接收数据期间才占用无线资源,用户在线,但没有数据传送时,是不

35、收费的; 切换自如,用户在进行数据传送时,不会影响语音通信。数据业务和语音业 务的切换有两种方式:手动和自动,具体形式依据不同终端而定; GPRS 网络本身就是一个分组型数据网,支持 TCP /IP 协议,无需经过 PSTN 等网络的转接,可直接与 Internet 网互通。GPRS 是在 GSM 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统, 它采用分 组交换技术,能兼容 GSM 网络并在网络上更加有效的高速传输数据和信令。系统的 原理如图 2.3所示。其中 SGSN-GPRS业务支持节点; PCU-分组控制单元GGSN-GPRS 网关支持节点; PDN-分组数据网 图 2.3 GPRS系

36、统原理图GPRS 采用与 GSM 相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线 调制标准、相同的跳频规则以及相同的 TDMA 帧结构。因此在 GSM 基础上构建 GPRS 系统时 GSM 系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动,只需作软件升级。其过程为:、在 GSM 系统中引入三个主要组件,这三个主要组件是 SGSN (GPRS 业务支持节 点、 GGSN (GPRS 网关支持节点和 PCU (分组控制单元。 SGSN 、 GGSN 又合称为 GSN (GPRS 支持节点。、对 GSM 系统中的相关部件进行软件升级。根据欧洲 ETSI 的 GSM 第 2+阶段的建议, GPRS 分为

37、两个发展阶段(即 Phase 1和 Phase2 。 GPRS 的 Phase l阶段将能支持下列功能和业务:1.TCP /IP 和 X.25业务2. 全新的 GPRS 空中接口加密技术3.GPRS 附加业务4. 增强型的短信业务(E 一 SMS GPRS 分组数据计费功能,即根据数据量而采取计费上述功能业务中最显著的 是 TCP /IP 和 X.25功能。 GSM 网络可以通过 TCP /IP 和 X.25为用户提供电子邮 件、 WWW 浏览、专用数据、 LAN 接入等业务。 GPRS Phase 2阶段的规范尚在制 订之中,它将能提供更多的新功能和新业务。以 GPRS 为基础的无线数据系统

38、有很广泛的应用, GPRS 网主要为用户提供突发 性的数据业务, GPRS 应用可分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向应 用。对于横向应用, GPRS 可以提供网上冲浪、电子邮件、文件传输、数据库查询、 增强短消息等业务。对于纵向应用,它可以应用于车辆及智能调度、证券和商业、 PTM 业务、公共安全业、遥测、遥感、遥控,还可以提供 VPN (虚拟专用网业务, 降低公司建设自己的广域网的费用。与当前非语音移动业务相比, GPRS 是一种新型的授权移动业务, 它可以在频谱 效率、容量和功能等方面提供较大的改善。但是 GPRS 尚有不少不足:小区总容量有限GPRS 并不增加网络现存小区总容

39、量。 只存在非常有限的无线资源可以分配给不同的用途用于一种就不能用于另一种用途。例如,语音和 GPRS 呼叫都使用相 同类型的网络资源。 GPRS 对容量影响的程度取决于预留用于 GPRS 使用的时隙个数。 GPRS 不能动态地管理信道分配,但是可以通过在 GPRS 信道上发送短消息来减轻高 峰时间的信令信道负担。因此,需要 SMS 这种使用不同类型无线资源的承载作为补 充。实际速率要比理论值低得多要获得 GPRS 理论上 171.2kbps 的最大传输速率, 必须要求单一用户占用所有 8个时隙,而且不能采取任何纠错措施。很显然,网络运营商不可能允许一个 GPRS 用户占用所有的时隙。此外,初

40、始 GPRS 终端受到很大限制,只能支持一、两个或 三个时隙。因此 GPRS 用户可用带宽是非常有限的。这样, GPRS 的最大理论速度受 到了网络和终端约束因素的限制,也就是说,移动网络的数据传输速度总要低于固 定网络。因此,相对较高的移动数据速率对于单个用户来说是不可行的。支持 GPRS MT(Mobile Terminated终端得不到保证目前,还没有一代 GPRS 终端可以支持 GPRS MT呼叫(即无线终止来电功能。 GPRS MT是否可用是对 GPRS 行业产生巨大影响的中心问题。从开始 GPRS 会话, 用户就已经确认同意对收到的业务内容付费,这可以通过使用集成在 GPRS 终端

41、内 的 WAP 微浏览器进行。然而, GPRS MT呼叫可能会允许未经请求的任意信息到达终 端,而且移动用户不得不为所接收到的无用信息付费。但是通过任何介质传输任意 不需要的信息的可能性总是存在的, 因此, 在网络方面提供例如 GGSN (GatewayGPRS Support Node或平台收费政策等解决方案要优于在所有的 GPRS 终端中集成某些 不灵活的限制的方案。如果 GPRS 终端不能支持 GPRS MT, GPRS 的可用性以及其商 业价值将会受到威胁。GPRS 固然有上述诸多不足之处,但是 GPRS 的出现,还是大大提高了数据无线 传输速度,更好的满足了人们随时随地访问 Inte

42、rnet 的梦想。笔者相信随着 GPRS 网络功能的不断完善,一定能为用户提供更多更优质的服务。第 3章 车载终端设计方案3.1 车辆监控系统的整体结构车辆监控系统是在全球卫星定位系统(GPS 、公共移动通信网(GPRS 、互 联网(Internet 和地理信息系统(GIS 等现有技术基础上开发的一套信息服务 管理系统,以用于各种移动目标、固定目标的导航、定位和监控。完整的车辆监控 系统主要由 GPS 车载终端、 GPRS 无线网络和监控中心 3部分构成。 车辆监控系统的 整体结构如图 3.1所示。其中,车载终端包括 ARM 嵌入式系统, GPS 卫星数据采集 模块, GPRS 无线通信模块以

43、及各种辅助扩展电路等; GPRS 无线链路基于移动公司 的 GPRS 移动通信公众网,包括 MSC 基站控制器, SGSN 业务支撑节点, GGSN 网关支 持节点等;监控中心包括信息服务器和 GIS 数据库。 图 3.1 车载监控系统原理图3.2 车辆监控系统的工作流程首先由车载终端设备上的 GPS 卫星数据采集模块采集到 GPS 定位数据,经过数 据拆包得到车辆的地理坐标、时间等有效信息,该信息再经 ARM 嵌入式系统重 新封装处理之后, 由 GPRS 无线通信模块发送到 GPRS 无线通信网上。 GPRS 网络根据相应的协议在车载终端和接入因特网或 GPRS 网的监控中心之间建立一条支持

44、 TCP/IP或 UDP/IP的数据通道。监控中心把通过这条数据通道传送来的车辆位置数 据通过 GIS 数据库和 WebGTS 技术显示在电子地图上。同时,监控中心通过该通道 把与车辆现所在位置相关的地理信息传送给车载终端,从而在车载终端的 LCD 显示 屏上予以显示。此外,监控中心还可以向车载终端发送控制指令和调度信息。3.3 车载终端的总体设计思想为实现上述工作流程,首先要求车载终端能够采集 GPS 卫星定位数据并对该数 据进行一定的运算处理和拆封处理,其次要能够通过 GPRS 无线数据链路连接到 IP 数据网,访问位于监控中心的服务器。除此之外要提供显示面板,按键操作面板。 满足基本定位

45、需求之后,应还可以扩展增值业务,提供诸如汽车防盗防抢劫报警, 车载免提电话和短消息语音播放等功能。对于基本定位需求而言,卫星数据采集可以通过 GPS 模块实现,但是需要有一 个可以控制的接口和具有较强计算能力的处理器来处理采集的数据。无线数据链路 的物理层可以由 GPRS 模块承载,但是需要有可以支持链路层和网络层协议栈的软 硬件平台。显示面板可用液晶显示模块,操作面板可以通过简单的数字逻辑电路实 现。对于增值业务,汽车防盗防抢劫,可以设计专门的油路、电路控制单元,车载 免提电话可以通过 GPRS 模块实现,短消息语音播放也可以通过专用模块实现。车载移动终端主要由四大部分组成 : 电源模块、

46、GPRS 模块、 GPS 模块、单片 机。其中 , 电源模块为系统的各个部分供电 , 满足各个模块对电源的不同需求。 GPS 模块接收卫星信号 , 把处理好的坐标、 航速、 航向等信息通过串口传片机。 GPRS 模块建立无线通讯链路 , 把单片机要发送的数据通过 GPRS 网络传到控制中心。单 片机对整个系统进行控制 , 接收 GPS 的数据将其打包发送 , 并且内建 PPP 、 IP 、 TCP 、 UDP 等网络协议。此外 , 系统还提供紧急呼救和防盗功能。司机在遇到劫持等危机情况可以触发安装在隐蔽位置的开关 , 向控制中心发出求救信号。如果汽车被盗 , 控制中心可以切断汽车油路 , 并根

47、据定位信息迅速确定汽车位置帮车主找回汽车。图 3.2 车载移动终端的系统框图 第 4章 车载终端的硬件系统设计4.1 电源模块的设计系统中的各个模块对电源的要求不同 , 系统需要提供 59 V 的电源。其中单片 机对电源要求较低 , 工作电压 4.55.5 V , 电流峰值 50 mA ; GPRS 模块对电源 的要求是 3.34.8 V。尤其在 GPRS 模块进行上行链接和发送频繁而引起电压衰落 的时候 , 电源必须要提供 2 A 的峰值电流 , 而电压不能低于 3.3 V 。否则 , GPRS 模 块无法正常工作 ; GPS 模块需要两路单独的电源供电。一路为 GPS 模块的射频信号 电路

48、提供电源 , 一路为基带信号电路提供电源。这样做是因为射图 4.1 GPS基带供电电路 a频电路对电源电压波纹的控制要求极高 , 电源电压的峰 - 峰值要小于 2 mV , 如果 射频电路与基带电路共用一路电源 , 那么射频电路会受到基带电路的干扰。我们为 GPS 模块选用为此 , 具体设计如图 4.1、 4.2、 4.3所示。选用 HDZ10 - 12S05 电源 模块和 LM2987 电源芯片以满足各模块对电源的需求。 图 4.2 GPS基带供电电路 b 图 4.3 GPS射频供电电路4.2 GPS模块设计GPS 模块选 Fast Rx 公司的 iTtax02GPS 接收模块。该模块有着体

49、积小、功耗 低的特点。模块的体积只有 26mm ×26mm ×417mm , 通过一个 40 针的接插件与车 载终端主板连接。可以有效减小车载终端的主板面积。模块的外围电路简单 , 通过 UART 接口与单片机进行通信。电路设计如图 4.4。考虑到射频接口问题 , 模块 RF 信号的线的阻抗要求为 50 ohm , 在 PCB 材料为 FR4 , PCB 厚度为 018 mm 的情况下 , 接口到天线的走线宽度 应为 16 mm。图 4.4 GPS模块电路设计图4.3 GPRS 模块GPRS 模块选用西门子公司的 MC35i 。 MC35i 通过 40 针的 ZIF 接口与

50、主板相 连。接口的 1 - 5 脚为电源 , 6 - 10 脚是地线 , 15 脚是 IGI 模块启动信号 , 31脚是关闭信号。 16 23脚是 RS232 接口 , 单片机就是通过这个接口与 MC35i 进行 通信 , 控制 MC35i 的工作。 25 - 29 脚与 SIM 卡相连 4 - 5。 MC35i 模块的接口 电路如图 4.5所示。 32 脚是模块的工作状态指示信号 , 通过这个信号控制一个发 光二极管我们可以很容易观察 MC35i 的工作状态。 图 4.5 MC35i 接口电路4.4 单片机控制器主控制器采用华邦 W77E58 单片机 , 它有两个 UART 接口 , 片上集

51、成了 1k 的外 部数据 RAM 。由于处理 TCP/ IP 数据报占用内存量大 ; 同时为保存 GPRS 设置参数 , 在系统关闭情况下数据不丢失 , 系统还扩展了 32kRAM 和一个 IC 总线的 E2 PROM。 该控制器有两个 UART 接口 , 分别与 GPS 模块和 GPRS 模块进行通信。系统框图如 图 4.6所示。 图 4.6 单片机系统框图第 5章 车载终端软件的设计5.1 软件设计概述车载系统的初始化主要包括 GPS 模块的初始化 , GPRS 模块的初始化 , 显示模块 的初始化以及特殊功能寄存器的初始化。GPS 的初始化主要是设置接收数据的模式。GPRS 的设置要复杂

52、一些, 为了保证通讯的顺利进行, 要正确的设置所有连接端 口的串口波特率,保持他们的一致;然后进行拨号设置,通过 GPRS 使系统连接到 网络上,再进行通讯双方的端口匹配,并进行 TCP 连接,成功后便可以接受和发送 数据(在此系统中我们将车载部分作为通信的客户端 , 监控中心作为服务器端。 系统初始化完毕以后,程序应当进入循环和等待中断阶段,当有外部中断和串 口中断时进行相应的中断处理。当 GPRS 触发串口中断时 , 进入串口中断服务程序 , 判断是读取信息还是发送 信息 , 如果是发送 , 则将要发送的信息打包成所规定的帧格式发送出去 , 如果是 读取 , 则对收到的信息进行解释 , 执

53、行相应的操作。5.2 总体功能分析车载终端的软件设计主要集中在各层网络协议的实现。网络协议层次结构如图 5.1所示 , PPP 协议主要用于创建连接 ; IP 协议层主要作用是为上层提供无连接和不可 靠的包交换服务 , 该协议体现在一个 Internet 数据包中 ; TCP 层的作用是提供面向 连接的端到端的无差错的报文传送。 图 5.1 网络协议层次结构PPP 协议是对使用 PPP 连接提供传输多种协议报文的标准方法 , 各种协议的 报文最后被封装在 PPP 数据包中 , 由物理层送出 , 在这里由 MC35i 模块送出。图 5.2描述了用户数据的封装流程。PPP 由三部分组成 :(1 对

54、各协议封装成 PPP 数据包的方法 ;(2 建立连接、配置和测试数据连路的 LCP 协议 ;(3 建立的配置不同网络层协议的 NCP 协议组。 图 5.2 数据封装流程图1图 5.3 单片机程序流程图单片机的整体程序设计包括模块的初始化和数据的封装发送及报文解析 , 各子程 序在设计时要保证其能够协调工作和较高的可靠性。程序要能够对一些错误进行处 理 , 以减少网络通讯负担 , 如连接超时、 接收数据错误等。 具体程序的流程如图 5.3所示。江西蓝天学院本科生毕业设计（论文） 第 6 章 结论与展望 本文介绍的车载卫星定位系统结构简单容易实现, 硬件成本低廉而且可以达 到较高的可靠性, 可用来

55、对车辆进行定位和跟踪。在测试运行中该系统工作稳定, 各项指标达到设计要求。由于系统采用 GPRS 方式传输数据, 运营成本低。该系统 可以用来对车辆进行监控管理, 并在汽车的防盗上起到一定作用, 可以广泛应用 于公交车、出租车的管理。同时对专业汽车运输公司承担向全国销售市场进行物流 配送、远程监控管理, 提供了技术基础。随着 GPRS 网络的不断改善和通信费用的 进一步降低, 相信该系统将有更广阔的应用前景。 汽车是现代文明社会中与人关系最密切的一种交通工具。据统计,仅几个发达 国家的汽车保有量已达数亿辆。我国民用汽车数量也在与日俱增。因此车辆导航将 成为未来 20 年中全球卫星定位系统应用最大的潜在市场之一。 在我国,特种车辆约有几十万辆。有关部门要求先对运钞车、急救车、救火车、 巡警车、迎宾车等特种专用车辆实现全程监控、引导和指挥。 车载 GPS 导航设备在应用上的发展方向,应当着重发展多卫星系统、远距离监 控以及多功能显示等几个方面。可以说, GPS 导航定位在公安、交通系统中的 应用前景是非常广阔的。在开发车辆导航应用的同时,也将带动与其相关的通信技 术、信息技术、控制技术、多媒体技术和计算机应用技术的发展。 25 江西蓝天学