【正文】 據(jù)通信的橋梁，使得遠程監(jiān)控成為可能。通過準確的定位，配合無線通信技術(shù)以及數(shù)字地圖，車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以進行實時車輛狀態(tài)監(jiān)控、規(guī)劃出行路線、引導車輛避開擁擠路段，提高道路通行能力，緩解道路擁擠和堵塞[3]。 本系統(tǒng)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀國外對車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究比較早，大約開始于20世紀60年代，最初主要應用于軍事上。近十年來車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究已經(jīng)達到相當高的水平，開發(fā)了各種智能化車載導航與監(jiān)控電子裝置，并被廣泛應用于汽車上。就目前情況來看，日本是當今車輛導航定位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展最為成功的國家之一。在日本的一些豪華汽車上，電子導航設備已經(jīng)成為標準配置。在日本和歐美，裝載有導航設備的汽車數(shù)量比例非常高。2005年日本汽車車載導航設備安裝率高達59％，歐美約在25％左右。同時，在北美、歐洲、日本等地，汽車導航銷售額居各類GPS市場之首。車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)可以很方便的使駕駛員得到車輛的具體位置、速度和方向等信息；還可以提供路線查詢、路徑查詢，以使駕駛員可以更快的到達目的地；以及遭遇人身安全問題時，獲得緊急求助[4]。目前，國內(nèi)的車載導航監(jiān)控系統(tǒng)存在著很多問題。首先從衛(wèi)星導航的整個應用而言，我國在衛(wèi)星導航領(lǐng)域基本上都是依靠進口的GPS芯片，國內(nèi)廠商在這些芯片產(chǎn)品上進行二次開發(fā)，生產(chǎn)車載終端、自導航和手持定位儀等產(chǎn)品。2007年國內(nèi)自主研發(fā)的首款應用于車載的衛(wèi)星導航接收芯片“航芯二號”的設計成功，表明國內(nèi)已經(jīng)完全具備GPS、伽利略、北斗等全球衛(wèi)星導航接收芯片的開發(fā)能力，可以替代進口產(chǎn)品，成為中國集成電路設計領(lǐng)域的重要技術(shù)突破[5]。另外，國內(nèi)GPS應用尚未實現(xiàn)普及，并非是技術(shù)和硬件問題，而主要在于滿足用戶需求的服務比較少。國內(nèi)在智能車載裝置的研發(fā)還要進一步加大投入，增加系統(tǒng)的功能、提高系統(tǒng)性能。隨著嵌入式微處理器的不斷發(fā)展和我國自主研發(fā)衛(wèi)星導航定位技術(shù)和衛(wèi)星導航接收芯片的不斷完善，相信我國的車載監(jiān)控終端會朝著功能越來越完善、性能越來越穩(wěn)定、設計越來越人性化的方向快速發(fā)展。 本文主要研究內(nèi)容和工作近年來，GPS在車輛管理和調(diào)度系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。本系統(tǒng)采用STM32為控制器，用GPS模塊來實現(xiàn)空間的定位，用GPRS模塊實現(xiàn)遠程的通信控制，具有數(shù)據(jù)管理、精確定位、實時監(jiān)控和直觀顯示等功能，十分適合車輛定位系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和管理?；谝陨系脑O計方案，采用性價比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車輛的GPS定位信息，經(jīng)過信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過串口和GPRS模塊進行通訊，通過GPRS模塊把采集到的信息通過TCP/IP協(xié)議送到Internet網(wǎng)絡或通過短信發(fā)送到指定的手機上，在遠程收到定位信息后通過已有的數(shù)據(jù)庫確定路況，路線等信息。實時連續(xù)地對車輛的準確位置，速度，方向以及周圍的詳細地理環(huán)境進行監(jiān)控和查詢，對最優(yōu)路徑進行計算和規(guī)劃，幫助駕駛員及時了解車輛目前的位置和狀況，從而快速，安全，準確地到達目的地。基于以上系統(tǒng)設計思想，我將從GPRS模塊、GPS模塊、STM32處理器等模塊詳細介紹系統(tǒng)的設計，本文結(jié)構(gòu)如下：第1章，緒論。簡要介紹了論文選題的背景及意義、課題的來源及各章節(jié)結(jié)構(gòu)。第2章，系統(tǒng)總體設計和關(guān)鍵技術(shù)。主要介紹了系統(tǒng)的總體設計思想，然后詳細介紹了與此相關(guān)的GPRS無線通信網(wǎng)絡的傳輸原理及其優(yōu)缺點，全球定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展、坐標轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式，和STM32處理器等關(guān)鍵技術(shù)，為后面的應用做準備；第3章，系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)，詳細介紹了定位系統(tǒng)的GPRS模塊的硬件結(jié)構(gòu)和電路設計；GPS模塊的電氣特性和接口設計；STM32處理器的總線結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)時鐘、電源等必備硬件結(jié)構(gòu)；LCD液晶顯示等人機接口的電路設計；電源模塊等輔助電路的設計；第4章，操作系統(tǒng)的移植和軟件的設計開發(fā)。鑒于系統(tǒng)復雜繁多的任務量，把適用于嵌入式系統(tǒng)的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)UCOSII移植到本系統(tǒng)中，為后面的任務分配做好準備工作；并詳細介紹了系統(tǒng)各模塊的通信協(xié)議和軟件接口并編寫相應的各模塊的程序；最終結(jié)合硬件完成整個系統(tǒng)的軟件硬件搭建；第5章，總結(jié)與展望。首先對本課題完成的工作進行了總結(jié)，然后結(jié)合本課題涉及領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進行了展望。 61第2章 系統(tǒng)總體設計和關(guān)鍵技術(shù)第2章 系統(tǒng)總體設計和關(guān)鍵技術(shù) 系統(tǒng)的整體設計本系統(tǒng)采用性價比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車輛的GPS定位信息，經(jīng)過信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過串口和GPRS模塊進行通訊，通過GPRS模塊把采集到的信息通過TCP/IP協(xié)議送到Internet網(wǎng)絡或通過短信發(fā)送到指定的手機上，在遠程收到定位信息后通過已有的數(shù)據(jù)庫確定路況，路線等信息。c圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整個系統(tǒng)如圖21所示，采用STM32為控制器，使用GPRS和GPS為功能模塊，外加鍵盤和屏幕顯示為輔助輸入輸出模塊，提供一個人性化的交互平臺。通過這個整體有機的把各個模塊結(jié)合在一起，完成所要設計的功能。此系統(tǒng)將包含GPRS通信模塊、GPS定位模塊、STM32處理器等模塊，本章將主要介紹將要用到的各模塊的主要工作原理 GPRS技術(shù)GPRS是通用分組無線服務技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS經(jīng)常被描述成“”，也就是說這項技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術(shù)之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現(xiàn)行無線應用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會更方便容易。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長度的包（分組），每個包的前面有一個分組頭（其中的地址標志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預先分配信道，建立連接。而是在每一個數(shù)據(jù)包到達時，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中的信息（如目的地址），臨時尋找一個可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用[6]。 由于數(shù)據(jù)業(yè)務在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務特點，對信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。 GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)GPRS網(wǎng)絡引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍睿@樣使得GSM網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)業(yè)務的支持從網(wǎng)絡體系上得到了加強。圖2和圖3從不同的角度上給出了GPRS網(wǎng)絡的組成示意圖。GPRS其實是疊加在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡的另一網(wǎng)絡，GPRS網(wǎng)絡在原有的GSM網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上增加了SGSN（服務GPRS支持節(jié)點）、GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點）等功能實體。GPRS共用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡的BSS系統(tǒng)，但要對軟硬件進行相應的更新；同時GPRS和GSM網(wǎng)絡各實體的接口必須作相應的界定；另外，移動臺則要求提供對GPRS業(yè)務的支持。GPRS支持通過GGSN實現(xiàn)的和PSPDN的互聯(lián)，同時GPRS還支持和IP網(wǎng)絡的直接互聯(lián)[7]。GPRS網(wǎng)絡框圖如圖22所示。圖22 GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)框圖 GPRS的技術(shù)優(yōu)勢目前，用手機上網(wǎng)還顯得有些不盡人意。因此，全面的解決方法GPRS也就這樣應運而生了，這項全新技術(shù)可以令您在任何時間、任何地點都能快速方便地實現(xiàn)連接，同時費用又很合理。簡單地說：速度上去了，內(nèi)容豐富了，應用增加了，而費用卻更加合理。 (1) 高速數(shù)據(jù)傳輸速度10倍于GSM，更可滿足您的理想需求，還可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件，可謂不一般的巨大進步。 (2) 永遠在線由于建立新的連接幾乎無需任何時間(即無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接)，因而您隨時都可與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。(3) 僅按數(shù)據(jù)流量計費即根據(jù)您傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量(如：網(wǎng)上下載信息時)來計費，而不是按上網(wǎng)時間計費也就是說，只要不進行數(shù)據(jù)傳輸，哪怕您一直“在線”，也無需付費。它真正體現(xiàn)了少用少付費的原則。 (4) 相對低廉的連接費用 資源利用率高在GSM網(wǎng)絡中，GPRS首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。對于分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計費以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。 (5) 傳輸速率高 GPRS可提供高達115kbit/s的傳輸速率 (，不包括FEC)。這意味著數(shù)年內(nèi)，通過便攜式電腦GPRS用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應用成為可能。(6) 接入時間短分組交換接入時間縮短為少于1秒，GPRS是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務，它可以給移動用戶提供無線分組數(shù)據(jù)接入股務。GPRS主要是在移動用戶和遠端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（如支持TCP／IP、）之間提供一種連接。GPRS采用分組交換技術(shù)，它可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個時隙都用來傳送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)速率最高可達164kb/s。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務占用。當然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。要實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡，需要在傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡中引入新的網(wǎng)絡接口和通信協(xié)議。目前GPRS網(wǎng)絡引入GSN（GPRS Surporting Node）節(jié)點。移動臺則必須是GPRS移動臺或GPRS/GSM雙模移動臺[8]。 GPS技術(shù)衛(wèi)星導航定位是指利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供的位置、速度及時間等信息來完成對各種目標的定位、導航、監(jiān)測和管理。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導航系統(tǒng)，可提供高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時信息，是一種可供海、陸、空軍民用戶共享的信息資源[11]。 導航定位技術(shù)現(xiàn)狀自1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功以來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導航、遙感、大地測量、地球動力學、天文學和軍事科學等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛的應用[12]。世界上最早的衛(wèi)星導航系統(tǒng)是美國的子午儀導航系統(tǒng)(1964年開始運行)。隨后，為滿足日益增長的軍事需要，20世紀60年代末70年代初，美國和前蘇聯(lián)分別開始研制全天候、全天時、連續(xù)實時提供精確定位服務的新一代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，到90年代中期全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS和GLONASS均已建成并投入運行。我國也建設了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)：“北斗一號”于2003年底正式開通運行。歐盟籌建的Galileo全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正在計劃實施之中[13]。以下是幾種主要導航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀比較：目前GPS在實際應用和產(chǎn)業(yè)化上處于國際壟斷地位。特別是從美國于2000年5月1日宣布中止了SA政策后，GPS以其技術(shù)優(yōu)勢和廉價的使用成本，在全球得到廣泛應用，涉及野外勘探、陸路運輸、海上作業(yè)及航空航天等諸多行業(yè)，其相關(guān)產(chǎn)品和服務市場的年產(chǎn)值達80億美元，成為當今國際公認的八大無線產(chǎn)品之一。GLONASS比GPS系統(tǒng)起步晚9年，全系統(tǒng)正常運行比GPS晚近3年。在19961998年間，由于經(jīng)濟困難，GLONASS星座得不到正常的維護，導致系統(tǒng)性能衰退。目前，俄羅斯已下決心恢復和進一步發(fā)展該系統(tǒng)。我國目前正在自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)填補了我國衛(wèi)星導航定位領(lǐng)域的空白，成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的國家。于2003年底建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，2007年分別成功研發(fā)了我國首款應用于車載的衛(wèi)星導航接收芯片“航芯一號”和應用于手機的首款CMOS全球衛(wèi)星導航接收芯片“航芯二號”，標志著我國在全球衛(wèi)星導航接收芯片技術(shù)領(lǐng)域進入國際先進水平。未來幾年將分別在軍用、民用領(lǐng)域發(fā)揮作用。歐洲于1992年2月提出的獨立自主研發(fā)的導航衛(wèi)星系統(tǒng)—Galileo系統(tǒng)將成為第一個民用的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，具有配置、頻率分布、信號設計、安全保障及其多層次、多方位的導航定位特點，其在通信、定位精度、信號功率等方面的性能優(yōu)于GPS，目前正在建設中。綜合考慮各系統(tǒng)性能以及全球衛(wèi)星導航接收機芯片技術(shù)等方面，本系統(tǒng)中選用了全球定位系統(tǒng)GPS，獲得高精度的定位信息。 GPS衛(wèi)星定位原理全球定位系統(tǒng) (Global Position System——GPS)是美國從本世紀70年代由美國國防部批準開始研制，歷時20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)：用戶設備部分——GPS信號接收搬。空間部分為21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座。衛(wèi)星分布在6個軌道平面上，每個軌道平面上有4顆衛(wèi)星，在約2萬千米高空的衛(wèi)星，從地平線升起至沒落，可以在用戶視野持續(xù)5小時左右。每一個用戶在任何地方都能夠同時接收到來自4～12顆GPS衛(wèi)星的定位信號，實現(xiàn)全球性全天時的連續(xù)不斷的導航定位[13]。控制部分主要由1個主控站、5個監(jiān)控站、3個地面注入站組成，形成一個分布在全世界的地面控制監(jiān)視網(wǎng)，監(jiān)視著各個衛(wèi)星的工作狀態(tài)。主控站主要協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作，監(jiān)控站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)采集中心，地面注入站的主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時鐘偏差、導航電文等其他指令等注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)。用戶設備的主