基于GPRS/GPS的汽车跟踪系统

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　　1 引言
　　现代社会汽车给人们的生活带来了很大的便利,但频频的盗车案件成了车主们新的担忧;汽车运输公司为更好地管理本公司的汽车, 提高运输的安全性,如果知道汽车的实时定位数据,就可以很好地进行汽车调度、汽车安全检查、汽车救援,可以极大地提高汽车运输管理的质量[1]。汽车防盗设备按其结构和功能可分为四大类：机械式，电子式，芯片式和网络式。
　　其中网络式汽车防盗技术与其他几种防盗形式相比。目前还尚未成熟这也给本设计有了更多对其研究和设计的创新空间[2]。网络式主要有GPRS无线数据网、3G无线数据网、无线局域网(WLAN)、移动网络等。国内外许多机构都投入了大量人力物力财力，进行相关的研究和开发，其最新研究成果就是基于GPRS/GPS的网络式汽车防盗系统。现阶段的汽车跟踪产品，价格昂贵，可开发升级性不高。本文主要是针对于性价比来设计出一款跟踪产品。以往汽车的跟踪技术车载终端模块中GPS和GPRS是相互分开的，即需要用户在GPS和GPRS模块之间进行端口的连接进行测试，成本不仅高昂，并且体积也会比较大。那么针对于此，在这里则是使用的是集成GPS和GPRS的SIM908模块，这样占用空间小，这样就容易嵌入在比较隐蔽的地方。使用ARM推出的Cortex-M3处理器其价格低廉，性能很高，有很好的升级性。
　　2 基于GPS/GPRS的跟踪系统设计
　　本文给出了基于采用ARM作为主控制器以及基于GPRS和GPS技术的SIM908集成模块来实现的汽车防盗系统。该系统采用ARM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。当车主发现自己汽车失窃，车主可以通过短信向GPRS模块发送对汽车进行远程锁死油路、声音报警等操作的信号，并通过GPS模块获取车辆的GPS信息。同时GPRS模块还会将GPS数据发送到服务器上，警察可以根据GPS数据选择最佳路线进行在线指挥抓捕盗车罪犯。系统需要保存的信息主要有接收方的手机号码，报警约定的报警密码家庭地址[3]。整个GPS/GPRS的防盗系统具体的系统架构图如图一所示：

　　采用STM生产的ARM Cortex-M3微处理器作为主控制器，根据系统的功能需要完成了GPRS通讯模块/GPS定位模块、刹车模块和远程服务端模块的选型。
　　（1）GPRS（General Packet Radio Service）是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端对端的、广域的无线IP连接。GPRS具有网络覆盖面广可永远在线按流量计费等特点，适合用于公路车辆跟踪[4]。
　　GPRS模块接收用户的控制短信，短信中有控制汽车的命令。车载端通过GPRS模块可以将汽车的状态，包括汽车地理位置、汽车速度、汽车防盗，发送到服务端的监控中心。车主和监控中心可以主动通过手机短信或Internet来跟踪和控制汽车状态，包括强制上锁、强制解锁、强制断油断电等。GPRS网络负责将汽车车载端、监控中心、车主三方面紧密结合在一起。
　　（2）GPS全球定位系统GPS可以在全球范围内为数量不限的海陆空天用户提供全天候、连续精确的位置、速度和时间信息。地面站收集来自卫星及系统内有关的信息数据，经过加工处理后发现导航信号和控制指令，通过卫星转发给覆盖区域的用户设备。
　　GPS能够准确定位汽车的具体位置。为保证实时跟踪，GPS数据每30秒钟向服务端发送一次。
　　（3）控制器是该系统的中央单元，其能够准确的分析短信命令，分析GPS数据，实时控制刹车。该车载GSM/GPS防盗系统的主控制器就是STM32控制器，这里采用了简单的实时操作系统RL-RTX实时系统。
　　RTX内核是一个实时操作系统，在嵌入式运用中这是非常有用的，可以解决众多的调度、维护、定时等问题。RTOS 可以自由地分配系统资源，比如CPU和内存，并且提供一种任务间通信机制。RTX内核是一个强大的实时操作系统，可以很容易地使用和运行基于Cortex-M3 CPU 内核的微控制器。
　　（4）刹车锁主要是由控制器来控制的。车内接收装置在接到的用户用于锁车命令的短信，控制模块就会锁住轮胎，控制车辆的移动，并立即启动报警系统，车载控制器使车辆强行减速，锁死发动机和点火线圈。
　　（5）远程服务端，主要是包括GIS定位跟踪工作站，接收被盗汽车发送的GPS数据，存储到数据库中，将相应的车辆以图标的形式显示在地图上。GIS定位跟踪工作站使用TCP网络通信协议接受从GPS定位数据通信服务器发送来的GPS定位数据包，解析并处理，根据得到的定位坐标将对应的车辆以图标的形式显示在地图上。


　　3 车载终端模块硬件设计
　　车载移动终端主要由四大部分组成: 电源模块、GPRS 模块、GPS 模块、控制模块。ARM对整个系统进行控制, 接收GPS 的数据将其打包发送。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。如图2所示：4 软件设计
　　4.1 软件功能
　　（1）GPRS通讯模块软件，主要是负责用户短信的发送和接收，将汽车定位的数据发送到服务端。系统通过AT指令访问GSM/GPRS模组来实现短消息收发[5]。AT即Attention，AT指令集，是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送[6]。
　　（2）GPS定位模块，主要是定位汽车的具体位置。
　　该定位模块会每隔30秒钟向MCU的端口发送GPS数据，MCU初步分析GPS数据，并使用AT命令实现GPS数据发送到服务端。
　　（3）控制模块，不断监测GPRS有没有车主的丢失汽车的短信命令。检测到短信，先判断是不是恶意手机短信。经过正确的判断到手机号之后，读取短信内容。读取到报警信息，就会启动刹车模块，立即报警，将地理位置传送到服务端和车主的手机里。
　　（4）系统设置模块，即是服务端，主要完成对车主手机号码、报警信息内容、回复指令内容等内容的修改，以增加系统的安全性。进一步分析接收到的GPS数据，调用数据库，查看地图资料，显示出汽车的在地图的位置，并给出最佳路线到达汽车位置。
　　4.2 软件设计流程。
　　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数据技术显示在电子地图上。在简要分析SIM908串口通信控制、AT指令、短信息通讯的PDU模式分析和GPS定位信息提取的基础上，完成了发送PDU码短信息，GPS定位任务，报警，传送GPS数据传送到服务端，地图资料等主要应用程序的设计。系统可实现报警信号的检测、车主与系统之间的通讯、GPS定位信息的获取、远程控制的操作，具有较高的实际应用价值。具体的软件设计流程图如图3：在整个系统中，包括GPRS、GPS、主控单元以及刹车模块。首先加电开启整个车载终端，启动服务之后，配置并使能主控单元的各个端口。单片机也通过AT 命令对GPRS模块进行初始化，包括监控中心的IP 地址及端口、SIM 卡检查、GPRS 服务号码配置等[7]。此时主控单元就处于了监控用户短信的状态。
　　在没有用户短信的状态下，车载终端的模块都是出于睡眠的状态下的。当由用户的短信到来，GPRS模块就会检测到短信到来的标志。此时主控单元首先去判断该短信是不是该车主发送来的，如果不是则将短信删除掉，继续处于等待下次短信的到来。判断是车主的短信，下一步就是读取短信的内容，正确读取短信，删除短信。此时得知用户的车辆处于被盗的状态，立即启动刹车模块，使得汽车处于减速状态。
　　主控单元就会在2号端口选择GPS模块接收到的最佳GPS数据，并连接远程的服务端。在连接远程服务端的时候是有些技巧的，由于信号的原因，每次连接到服务端的时间或长或短，此时是不能在这里处于阻塞状态始终在这里等待连接成功信号的发送。解决方案是每隔20秒钟去判断是不是连接成功。如果不成功就断开上次的连接，重新向服务端建立连接。连接服务器成功之后，GPRS模块就将此时的GPS定位数据发送到服务端。服务端在接收到GPS数据之后，就会利用GIS技术准确的将汽车的位置显示在上位机上。直到警方追踪到丢失车辆，就可以停止对车辆的跟踪。
　　5 系统测试
　　测试中，用户发送一条汽车丢失的短信到车载模块，模块处理短信内容，立即报警，把GPS传输到服务器端。
　　GPS数据数据接收模块支持NAMEA0183的通信标准，输出的4条语句$GPGGA, $GPGSA, $GPRMC,$GPVTG。$GPRMC是标准推荐的输出语句，该语句包括UTC时间、接受状态、经度、纬度、速度和航向等信息。语句$GPRMC,052613.000,A,3210.740238,N, 11930.503895,E,0.000,170.8,280912,,,A*61。该数据经过处理，从中提取经度、纬度、速度、航向等有用信息，这些信息是定位车辆位置的主要来源[8]。
　　根据以上的GPS的定位数据，服务端GIS就能够正确的显示出汽车的位置。每隔一秒钟就会接收到GPS数据，系统中会每隔5秒钟选择精确度最高的数据显示在地图上。图四是整个服务端上位机的软件视图，图五显示出了被盗汽车所在的地图位置和汽车速度。
　　该系统经过长时间的测试，在服务端车载移动终端在接收到信息，立即实施刹车的操作，并将汽车的GPS数据发送到服务端。在服务端查看的数据，准确的将车辆显示在地图上。随机取样得到的GPS数据，经过GIS数据的转换，清晰的显示出汽车在地图上的位置，时间以及汽车运行的方向和速度。此时显示的速度为68.52公里/小时。经和目标汽车的位置和汽车的定速仪显示的速度68.31公里/小时相比较，基本上是吻合的。
　　6 结论
　　在车辆防盗的开发设计中，采用了Cortex为架构模式的ARM微处理器和嵌入式操作系统RL-RTX实时系统来构建的，提高了系统性能，为系统功能的升级留下了空间。利用STM32微处理器、GPS全球定位技术和GPRS无线通信技术，开发嵌式汽车防盗系统，车主通过手机短信就能实现对汽车的远程监控功能和报警。使用基于GPS/GPRS技术的车载定位设备实现被盗汽车的跟踪，GPRS网络通信和TCP/IP网络协议是核心也是技术的关键，因此开展对GPRS和TCP/IP网络技术的研究对实现车辆的定位跟踪有着重要的意义。