基于GPS/北斗和GPRS 的车载监控系统设计与开发

时间：2024-07-28

夏广浩，马万太

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

0 引言

我国是猪肉消费第一大国，肉品质量安全涉及“养殖—屠宰—物流—销售”等多个环节，其中物流环节是处在生产和销售之间的特殊环节，冷链运输环节的物流周期等因素一旦控制不当，会影响肉类品质，造成经济资源的浪费和对公共安全的潜在威胁[1]。对车载监控系统而言，安全有效的位置监控和与上位机的即时通讯是至关重要的，然而现在车辆导航仪大多使用GPS定位，无法适应北斗卫星定位系统应用越来越广泛的潮流，此外缺少与控制中心的通讯也难以实现对肉品质量的监控。因此，开发基于GPS/北斗和GPRS 的车载监控系统成功弥补了上述产品的不足，对强化生产商—政府监管部门—消费者三位一体的全面监管、实施“放心肉工程”具有重要的理论意义和应用价值[2]。

1 系统总体方案设计

监控系统需要实现以下功能：1)及时发送与显示数据；2) 对监控中心的命令做出反应。车载终端设备上的GPS/北斗卫星定位模块接收到卫星定位数据后，经过数据提取获得车辆的时间、经纬度和速度等有效信息，ARM处理器将这些地理信息进行处理，一方面显示到车载终端LCD液晶显示屏上，另一方面将其进行数据封装后通过GPRS无线通信模块发送至GPRS无线通信网上。GPRS网络根据TCP/IP协议建立一条数据传输通道连接车载终端和接入网络的监控中心[3]。监控中心将通过数据传输通道获取数据包并拆封，从中获取车辆的定位数据和状态信息显示到电子地图上。监控中心通过数据传输通道将与车辆位置相关的地理信息传输给车载终端，从而在车载终端的LCD液晶显示屏上予以显示。监控中心根据车辆的行驶状态及道路信息向车载终端发送相关控制指令和调度信息。冷链监控系统如图1所示。

2 终端硬件设计

监控系统终端主要涉及到以下部分：ARM微控制器模块、电源模块、GPRS模块、GPS/北斗模块，其中GPRS模块和GPS/北斗模块通过串口接口与ARM控制器通信。GPS/北斗模块采集车辆路线，GPRS模块组建网络并转接至Internet服务器，电源模块则为整个系统提供可靠的电源。此外，车载终端硬件还扩展了SDRAM存储单元和Flash、液晶显示器、SD扩展存储、电源支持模块、JTAG调试等功能。系统终端整体硬件结构如图2所示。

2.1 微控制器模块

设计选取ARM11系列的S3C6410芯片作为车载终端的微处理器。其具有功耗低、性价比高等特点，在移动通信以及通用处理等领域得到广泛使用。S3C6410内部嵌入功能强大的硬件加速器，从而为GPRS网络和3G网络通信提供良好的硬件性能，包括各种音频和视频的加速处理。其工作主频在533 MHz/667 MHz，最高可达到1 GHz以上[4]。

图1 整体方案架构

图2 终端硬件原理图

2.2 GPRS模块

SIM900是一款四频GSM/GPRS模块，采用SMT封装形式，同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器[5]。SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，支持标准AT指令，低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息通信。其通信接口如图3所示。

图3 GPRS模块通信接口

2.3 GPS/北斗模块

定位模块选用TD3017A是一款基于TD1010基带芯片的BD2 B1/GPS L1双模卫星导航模块。单板集成双模基带芯片和双模射频芯片，可同时接入BD2 B1和GPS L1信号。外部采用3.3 V电源供电，另外TD3017A模块支持有源天线供电(3.3 V)。TD3017A模块采用28 pin邮票孔封装(40 mm×30 mm×3.5 mm)。TD3017A模块内部具备天线状态监测和天线短路保护功能，支持休眠工作模式，支持模块软件升级等功能[6]。TD3017A符合“北斗应用推广小组”类型IV规格、中标交通部“重点运输过程监控管理服务示范系统工程BD2 B1/GPS L1双模模块选型项目”。其原理图如图4所示。

2.4 电源模块

采用LM2576HV芯片将12 V汽车电压转换为5 V电压，其输出电流稳定在3 A，它内部包含有固定频率的振荡器以及基础稳压器，还设计了完善的电流限制保护电路。SIM900A采用VBAT为3.4 V到4.5 V的单电源供电。在某些环境中，如突然产生的信号传输会使芯片的电压陡降，从而导致电流损耗的极值急剧上升到2 A。经检测，此款芯片满足要求。

3 系统软件设计

车载终端的软件设计包括搭建软件开发环境和开发实现各项功能的应用程序。搭建软件开发环境主要工作是进行嵌入式操作系统的移植，设计采用操作系统为红帽企业版6。应用程序的开发是在Qtcreator软件中进行图形界面的设计，代码编写采用C++编程语言，实现包括GPS/北斗信息采集功能，GPRS通信功能、拨打电话功能等。软件系统框架如图5所示。

3.1 嵌入式Linux开发环境搭建

将嵌入式操作系统加入车载终端的软件系统中，可以实现进程的有序调度和管理，使整个系统能够运行在安全且稳定的环境下，同时后期应用程序可以直接在操作系统开发，使系统拥有更好的扩展性[7]。嵌入式Linux系统主要分为4个软件层次：1) 引导加载程序，即固化在硬件中的Bootloader。2) 为嵌入式开发板专门定制Linux内核。设计内核版本选择Linux-3.0.1。3) 文件系统，包含根文件系统和用户文件系统。选用YAFFS2作为系统的根文件系统。 4) 特定于用户的应用程序，为了增加可操作性还会加入图形用户界面(GUI)。本文采用Qt/Embedded(简称Qt/E)，其是Qt的嵌入式版本。

图4 定位模块电路设计

图5 系统软件框架

3.2 GPS模块程序设计

GPS模块接收的报文信息符合NMEA-0183标准口。其标准下包含很多种类语句，系统中车载终端只需要基本的定位信息即可，所以提取GPRMC这条语句。GPS数据提取程序设计主要分为4个步骤：1)串口初始化：打开串口，设置串口参数，波特率设为4 800 bps，数据位设为8，停止位设为1，无奇偶校验。初始化操作通过Port_init()函数实现。2) 提取RMC语句：从GPS信息流语句中检索$GPRMC开头的数据帧，提取出RMC信息。3) 从RMC语句中提取定位信息：将RMC中的定位信息包括时间、经度和纬度、速度等提取转化出来。4) LCD显示及信息传送：将定位信息显示到LCD上，并将信息发送到GPRS缓冲区，等待GPRS发送至监控中心。

3.3 GPRS通信模块程序设计

GPRS通信模块数据通信工作主要分为3个步骤：1) 初始化GPRS模块，通过点到点协议(PPP，point to point)建立GPRS网络通讯链路。2) 通过Qt应用编程建立车载终端与监控中心的TCP/IP连接。3)编写socket程序进行数据传输。

4 系统测试结果分析

车载监控系统软硬件设计完成之后，对系统的各个功能部分进行测试。测试主要分为终端系统功能测试和监控中心系统功能测试[8]。对定位模块的测试中，将测量的经纬度取平均值与标准经纬度进行距离转换，计算出定位误差约为8 m。满足车辆定位的基本要求。对通讯模块的测试中，对终端发送和监控中心接收到的数据信息进行对比，信息包括时间、车辆的经度、纬度、速度以及车厢温度等信息。监控中心接收数据与车载终端发送数据一致，说明数据传输正确，GPRS无线传输模块测试成功。对监控中心的测试中，测试结果显示车载监控系统能够有效地实现对冷链物流运输过程的实时监控。GIS地图监控软件能够完成对电子地图和车载运行轨迹的显示，显示效果良好。对车载监控系统的测试结果显示其能够有效的实现对冷链物流运输过程的实时监控。