摘要：本文根据出租车公司对车辆监控定位的要求，以单片机MSP430F147为核心，集成GPS模块、GPRS模块，详细论述了出租车车载监控设备的设计，其中包括硬件方案和软件方案的设计。该系统可以实时采集运行出租车车辆的实时位置信息，并且可以将采集到的信息通过GPRS模块发送到出租车运营公司，为出租车公司对车辆的监控调度提供了方便。
关键词：单片机;GPS模块;GPRS模块
0. 引言
随着现代社会的快速发展，出租车作为城市公共交通的一部分，已经成为现代城市交通不可缺少的部分。但是随之而来的出租车监控调度、安全管理却成了每个出租车公司的一大问题。如何简单快捷的对出租车进行合理的调度管理，同时可以实时监控每辆出租车的安全状况，针对这一问题我们开发了出租车车载监控设备，此系统大大方便了出租车公司对出租车的调度管理，同时还可以实时监控出租车的位置以及安全状况。
1. 出租车车载监控设备的功能
出租车车载监控设备是出租车监控调度系统的一个组成部分，可以向出租车监控调度中心提供出租车的实时位置信息，保证出租车运行安全，以及对出租车进行合理的调度，出租车载监控设备的功能如下：
1)信息采集功能
车载监控设备可以准确无误的采集车辆的实时信息(如经度、维度、速度、方向等)。
2)数据存储功能
可以存储车辆ID号、停车前15分钟的速度信息以及连续行车时间等信息。
3)数据传输功能
可以将采集到的出租车实时信息通过GPRS发送到监控调度中心，并且可以接收来自监控调度中心的调度命令。
2. 系统硬件设计
系统以单片机MSP430F147为核心控制器[1]，集成GPS模块、GPRS模块、串行存储器模块和电源管理模块。系统框框图见图1。
2.1 单片机单元
系统采用TI公司的MSP430F147单片机作为核心控制器[2]，此款单片机具有16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使单片机实现最大化的代码效率;集成JTAG，支持在线编程;两个通用全双工串行同步/异步通信接口;6个8位I/O口;外部中断输入接口。单片机串口0负责接收GPS模块输出的数据信息，分析并且提取接收到的有效信息数据，一方面对数据进行存储，另一方面将信息通过GPRS模块发送到出租车监控调度中心。
2.2 GPS模块
2.2.1 GPS概述
GPS(Global Positioning System)是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。它是目前世界上精度高的一种导航系统，已被广泛用于军事、经济、地理信息测控及其他领域。GPS定位系统由以下三个部分组成：
(1)GPS卫星星座(空间部分)：24颗卫星(其中三颗备用)，分布在6个轨道平面上，每个轨道面均匀布设4颗卫星，从而保障了地球上任何地点和时刻都能观察到4颗卫星。它能发射L1和L2波段的信号。
(2)地面监控系统(地面控制部分)：中央控制系统，跟踪卫星定轨，用来监测卫星的状态，对卫星轨道信息进行修正。
(3)GPS信号接收机(用户设备部分)：接收设备，主要由天线、电源、数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其基本结构是天线单元和接收单元，天线单元主要作用是捕获、跟踪卫星，接收GPS卫星发射的信号。接收单元主要作用是记录GPS信号，对信号进行滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，以获得有用的定位信息。
2.2.2 GPS模块介绍
GPS采用GS-87模块[3]，它是一个高效能、低功耗的智能型卫星接收模块或称作卫星接收引擎，它采用美国瑟孚SiRF star III公司所设计的第三代卫星定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能。其系统结构如图2，GPS Antenna(GPS天线)接收卫星信号，将微弱的电磁波能转化为相应电流。电流经过LNA(低噪音放大器)被放大，在通过filter 滤波器将其变频处理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3组成)进行处理，将处理后的信号通过串口与单片机进行连接。用户通过对单片机的软件编程控制，将GPS接收到的信息进行处理，提取出对用户有用的信息。
图2 系统结构图
2.2.3 GPS模块接口电路的设计
GS-87模块共有6个引脚，它与单片机主要进行串口通信，故它们之间连接时可通过GS-87的数据接收引脚RXA与数据发送引脚TXA分别与单片机的串口UART0(TXD0和RXD0)相连。GS-87的TXA引脚为串行数据输出端口A，是主要的数据传输通道，用于输出导航和测量的数据;RXA为串行数据接收端口A，是主要的接收通道，用于接收来自单片机的控制命令;VCC外接+3.3~5.5的电源输入端口，为保证模块工作时不受外界电磁噪声的干扰，在电源端VCC与地端GND之间安装旁路电容，旁路电容C19主要用来去除高频电磁脉冲，电解电容C33主要用来去除低频干扰以及储存电荷功能;RXB为辅助串行数据接收端口B，用于差分定位;Time Mark默认为从GS-87提供1脉冲每秒输出信号，用于同步一微秒的时间。在车载监控设备设计中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可满足功能要求。GPS模块电路连接图如图3所示：
图3 GS-87电路连接原理图
2.3 GPRS模块
2.3.1 GPRS概述
GPRS(General Packet Radio Service)是通用无线分组业务的简称，是一种基于GSM(Global System for Mobile Communications)系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接;是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，能提供比现有GSM网9.6kbit/s更高的数据率。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以及相同的TDMA帧结构。作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术，GPRS充分利用了现有移动通信网的设备，不需要改变无线网络规划与其拓扑结构，因而从很大程度上节省了移动网络建设成本。它支持IP协议和X.25协议，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时只需要增加部分硬件设备和软件升级即可。构建GPRS系统的方法：1)GPRS是在现有的GSM网络基础上实现的，在GSM网络中引入了3个主要组件：GPRS服务支持结点(SGSN，Serving GPRS Supporting Node)、GPRS网关支持结点(GGSN，Gateway GPRS Supporting Node)以及分组控制单元(PCU，Package Control Unit)。2)对GSM的相关部件进行软件升级。
GPRS的数据传输具有以下几个特点：
(1)采用的时分组交换技术的通信方式。(2)按数据流量计费，而不是按在线时长计费。(3)传输速率高。(4)永远在线。(5)GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。(6)GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以和IP网、X.25网互联互通。(7)GPRS 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。
由以上所描述的GPRS特点可看出，对于出租车载监控设备来说，采用GPRS无线通信技术完全满足设计需要。应用GPRS技术在车载监控设备与监控调度中心之间建立起一座数据通信的桥梁，使得远程实时监控、调度成为可能。随着GPRS技术的不断发展完善，基于GPRS的无线数据通信将得到更广泛的应用。
2.3.2 GPRS模块介绍
GPRS模块采用西门子公司的MC52i模块[4]，它是车载监控设备与出租车公司监控调度中心建立通信的重要部分。通过GPRS模块一方面可以将GPS模块采集到的车辆定位信息(如时间、经度、纬度、速度、方向等)实时发送到出租车监控调度中心的服务器上;另一方面还可以接收来自出租车监控调度中心的调度命令。实现车载监控设备与监控调度中心的双向通信。
2.3.3 GPRS接口电路设计
MC52i模块与MSP430F147通过串口以及信号控制引脚相连，电路连接图如图4所示。MC52i的26-30引脚为电源电压的输入端，输入电压范围为3.3V～4.8V，峰值负载电流为2A。MC52i模块的TXD0与RXD0分别为MC52i模块的数据接收端口与数据输出端口，分别连接到单片机串口(UART1)的TXD1与RXD1。MC52i的1-6引脚为外接SIM卡提供了标准的接口，其中CCGND和CCVCC为SIM卡提供工作电压;CCCLK信号为SIM卡提供时钟脉冲信号;CCIO为串行数据输入输出接口;CCRST信号为SIM卡复位信号;CCIN引脚主要用来检测SIM卡是否插入SIM卡卡座中。
图4 MC55连接原理图
3. 系统软件设计
3.1 主程序功能
主程序负责初始化、开中断、分析解析GPS数据、数据显示指导系统进入各种相应的工作状态。主程序流程图见图5a。
3.1 GPS数据接收程序设计
车载终端设备需要从GPS定位信息中提取出有用的信息并且显示出来，所以也需要了解各种NMEA数据的含义。下面仅列出GPS固定数据输出语句(GPRMC)输出范例，各数据代表的意义如表1所示。输出范例：
$GPRMC,025812.487,A,3752.5236,N, 11229.1768,E,0.13,309.62,181211, ,*70
表1 GPRMC数据含义
Tab. 1 GPRMC data meaning
当GPS模块有数据输出时，单片机进入串口中断程序。程序首先判断是否为数据头标志即“$GPRMC”，若判断到数据正确则程序进入数据接收模式，直到接收到“*”表示数据接收成功，否则退出中断程序等待下次数据的到来。以下为部分中断程序代码。
While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);
{ UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;
if (UART0_RX_BUF[0]!='$') num=0;
if(num==5)
{ if (UART0_RX_BUF[2]!='P') num=0;
if (UART0_RX_BUF[3]!='R') num=0;
if (UART0_RX_BUF[4]!='M') num=0;
}
if (num==56)
{ for (i=56;i<73;i++)
{ if (UART0_RX_BUF[i]!='*') num=0;
else k=i; }
}
}
}
3.3 GPRS数据发送程序设计
出租车车载监控设备可以将车辆的实时信息通过GPRS模块发送到出租车监控调度中心以便监控调度中心掌握出租车运行状况。单片机接收到GPS数据并且解析有效信息后，将需要发送到监控调度中心的信息(经纬度、速度等)存储到数据发送缓冲器内，以便数据发送时调用。本设计采用定时器中断方式进行数据发送，发送时间间隔为5S，当定时器定时5S溢出进入中断后，执行数据发送程序，调用发送缓冲器内数据，通过GPRS模块将数据发送到出租车监控调度中心。数据发送程序流程图如图5b：
4. 结论
目前车载GPS定位系统已经应用到民用、军用各个行业。在本文出租车车载监控设备设计中其硬件以及软件均采用模块化设计，易于升级与维护。经过实际车载试验，出租车载监控设备性能稳定，采集数据的精确程度以及发送数据的正确率都达到了预先设计要求。为出租车公司监控调度提供了良好的运营平台，该系统具有良好的推广价值和应用前景。
