摘? 要: 討論了智能交通系統中車載終端" title="車載終端">車載終端的作用和意義;闡述了車載GPS智能終端" title="智能終端">智能終端的主要功能;介紹了GSM模塊及其性能和使用方法。著重討論了車載GPS智能終端的軟硬件設計與實現方法。
關鍵詞: 智能交通系統(ITS)? 車載終端? GSM? GPS? 短消息
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智能交通系統(Intelligent Transport System，即ITS)采用信息技術、計算機技術、控制技術等手段對傳統交通運輸系統進行改造,以達到增強系統運行效率、提高系統可靠性和安全性、減少能源消耗和對自然界的污染等目的。ITS總體來說包括四部分:交通信息采集部分、車輛調度控制部分、電子收費系統和交通信息服務。其中的每個部分都需要車載終端的參與:在交通信息采集部分,需要車載終端提供車輛的準確定位信息和車輛運行情況信息;在車輛調度控制部分,車載終端作為控制的接收端,負責接收ITS中心的調度指揮信息;電子收費系統需要車載終端與收費站自動完成付費交易;車載終端還是交通信息服務的接收平臺,把服務顯示給車輛駕駛員和乘客。因此,車載終端是ITS系統中非常重要的組成部分。本文所介紹的“車載GPS智能終端”就是ITS車載終端的一個具體實現。下面詳細介紹車載終端系統的功能與設計實現方法。
1 車載GPS智能終端的功能
根據ITS系統的要求,車載GPS智能終端應具有如下功能:(1)車輛定位;(2)終端與ITS控制中心通訊;(3)報警,包括主動報警和自動報警;(4)在必要時進行車內監聽;(5)在必要時控制汽車熄火;(6)顯示調度信息。另外,車載GPS智能終端還根據用戶需要實現了其它功能:(1)可撥打車載電話;(2)限制車輛行駛范圍和行駛時間,監控車輛的行駛軌跡等。車載GPS智能終端的這些功能使其特別適用于汽車保險、運輸車隊或出租車隊的管理、調度等領域。
2 基于GPS-GSM/GPRS" title="GSM/GPRS">GSM/GPRS的ITS系統設計
目前全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)的技術已經比較成熟,使用也非常方便,通過專用的GPS模塊即可方便地獲得車載GPS智能終端所在的全球定位坐標。其定位精度比較高,一般誤差小于15m。
如何把定位信息發送給ITS中心一直是比較難解決的問題之一。以往的ITS系統多采用集群通信系統實現車載終端與ITS中心的通訊。但是這種系統具有覆蓋區域小、安裝維護費用高、技術復雜等缺點。近兩年隨著GSM/GPRS網在中國的普及,車載終端通過GSM/GPRS網與ITS中心通訊的方式已經成為最受歡迎的方式。這主要由于以下原因:(1)GSM/GPRS網覆蓋面廣,目前已經遍及我國大部分地區,包括鄉村和邊遠地區;(2)無需建網、維護;(3)GSM/GPRS網可靠性高、誤碼率低;(4)使用短消息" title="短消息">短消息功能或GPRS進行數據傳輸,費用比較低;(5)由于GSM/GPRS技術使用廣泛,提供相應通訊模塊的廠商較多,價格也比較合理。這里設計的ITS系統就是基于GPS衛星系統和GSM/GPRS這兩大系統的。其結構如圖1所示。
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首先車載GPS智能終端通過GPS衛星定位自己的全球坐標;然后以短消息或GPRS數據通訊方式把定位信息發送到ITS中心,ITS中心的控制調度命令也是通過GSM/GPRS網絡發送到車載GPS智能終端中,終端與ITS中心的通訊符合專用的命令協議;最后,互聯網的用戶還可以通過VPN專用網技術或其它安全聯網技術連接到ITS中心,以控制、查看車載終端的狀態。
3 車載GPS智能終端硬件系統的設計
車載GPS智能終端利用單片機與GSM模塊和GPS模塊聯合設計了一個符合經濟型終端功能需求的硬件解決方案。其硬件系統結構如圖2所示。
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3.1 主控單片機
主控單片機采用具有兩個串口的高性能單片機W77E58。在系統中,主控單片機負責接收用戶的手柄輸入信號和GPS輸入信號;對GPS信號進行計算，以獲得當前的經、緯度坐標;接收并解析ITS中心發送的短消息命令,按命令進行上傳" title="上傳">上傳定位坐標、報警等操作;另外還負責把系統的運行狀態及ITS的信息通過液晶屏顯示出來。
3.2 GSM模塊
使用GSM模塊可以方便地利用GSM網進行通訊。它同主控制器以串行口的方式連接,并采用一定的波特率進行通信。主控制器可以通過AT命令控制GSM模塊使其發送短消息,使用GPRS傳送數據或進行語音通話。GSM模塊硬件連接圖如圖3所示。
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GSM模塊與單片機之間采用標準的串行口進行通訊,通訊的最高波特率可以達到115200bit/s。GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIMDATA信號線進行數據通信。為了保證發送短消息與短消息到達之間的時間間隔盡量短,選用的SIM卡最好是同一個電信運營商提供的。在使用GPRS功能時,還需要選擇支持GPRS的SIM卡,并開通GPRS服務。GSM模塊還支持驅動兩路麥克風、兩路揚聲器和一路蜂鳴器。其中一路麥克風和揚聲器可以連到手柄的聽筒上,以實現車載電話功能。
3.3 GPS模塊
GPS模塊用于接收GPS衛星的信號,并計算出車載終端目前所在的位置。采用的GPS模塊由變頻器、信號通道、微處理器和存儲單元等組成。GPS模塊通過串行口向主控制器發送定位坐標;主控制器也可以向GPS模塊發送設置命令,以控制GPS模塊的狀態和工作方式。GPS模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛星信號。一般在比較開闊的地區,需接收到三顆以上的GPS衛星信號才能進行準確定位。在車載GPS智能終端系統中,把天線放置在車頂可以有比較好的定位效果。
3.4 電源模塊
電源模塊用于給系統中的其它模塊供電。終端系統需要電源模塊提供三路電壓,分別為:3.6V、5V、3.3V。其中,GSM模塊在發送和接收數據時需要的電流比較大(約為2A),選用了National公司的LM2576電源芯片。它是一種PWM方式調制的高功率穩壓芯片,可以提供高達3.5A的尖鋒電流。電源模塊中還設計了后備電池系統,在車載電源不工作或被破壞時給車載GPS終端供電。在車載電源工作正常的情況下,后備電池會自動被充電。
4 車載GPS智能終端軟件系統的設計
首先介紹程序響應的中斷系統。由于單片機與模塊之間的通訊是不定期、不定長的通訊,為了保證不出現阻塞情況,系統采用中斷接收方式:把接收到的所有數據在中斷過程中放入對應的循環緩沖區之中,然后由主程序解析接收到的串口數據。單片機還要響應另外兩個中斷:一個是報警按鈕被按下時觸發的中斷;另一個是定時中斷,它每20ms觸發一次,用于檢測GSM模塊的超時應答。
車載GPS智能終端軟件系統的主要功能是由主程序完成的。主程序采用狀態機的系統結構,其總體結構圖如圖4所示。其中,(a)為總體流程圖,(b)為GSM報文處理部分流程圖,(c)為GPS報文處理部分流程圖。終端可以處于8種狀態:空閑、上傳定位信息、定時上傳定位信息、撥號、通話中、網絡無法連通、GPS無法定位、報警。狀態間的切換主要由ITS中心通過發送短消息的命令報文控制。
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程序工作時先進行初始化工作,然后進入主控制循環。在主控制循環中首先檢查GSM數據緩沖區中是否有完整的GSM數據包,如果有則進行解析,并根據協議中的控制命令改變終端所處的狀態。接著判斷GPS數據緩沖區中是否有完整的GPS數據包,如果有則取出并解析出當前的全球定位坐標,以供上傳坐標時使用。最后根據終端所處的狀態對終端進行操作,例如:如果終端處于上傳定位消息的狀態,則控制GSM模塊上傳定位消息。
實驗證明,車載GPS智能終端可以較好地完成終端定位、與ITS中心通訊、報警、撥打車載電話等功能,并且具有成本較低、系統覆蓋面廣、使用維護費用低、通訊可靠等特點。但是,由于系統主要采用GSM系統的短消息進行通訊,因此無法做到實時通訊。在本系統的基礎上稍加改進就可以使用GPRS技術代替短消息進行數據傳輸,其“永遠在線”的特點可保證數據的實時傳輸。
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參考文獻
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