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罗维平，王 东，吴雨川，向 阳机控网
(武汉科技学院电信系，武汉 430073)
摘 要：利用GPS /GSM 网络定位技术，对移动目标的运动轨迹及其速度、运动方向、车辆状态等参数进行监控和查询，以确保车辆安全，有利调度管理，提高运营效率。该文提出的定位系统由移动受控目标、传输网络和监控中心3部分组成，利用GSM 话音通道传输数据，GPS 模块与AT89C51之间通过RS232串行通信口交换数据。介绍了移动定位系统的硬件组成、工作原理及软件设计，并对移动定位的相关技术进行研究与探讨。 关键词：移动定位；移动终端；GPS ；GSM
GSM Network-based Mobile Location Technology for
天巡一号
Intelligent Transportation System
LUO Wei-ping, WANG Dong, WU Yu-chuan, XIANG Yang
(Department of Electronic Information, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073)
【Abstract 】Based on location technology of GPS /GSM network, the parameters about the user’s movement locus, real speed, locomotion direction and vehicle state of mobile aim are mornitored and controlled, in order to ensure safety of mobile vehicle, schedule management and operation efficiency. The system is composed of mobile vehicle, transfer network and monitor center, where data are transmitted based on GSM sound channels, and exchanged between GPS block and AT89C51 based on RS232 serial communication ports. The paper introduces hardware composition, work principle and software design of mobile vehicle location system. Relative technologies of mobile location are discussed. 【Key words 】mobile location; mobile terminal; GPS; GSM
计 算 机 工 程Computer Engineering 第33卷 第23期
Vol.33 No.23 2007年12月
December 2007
·工程应用技术与实现·
文章编号：1000—3428(2007)23—0246—03
文献标识码：A
中图分类号：TP216
随着汽车工业的发展和交通管理的智能化，车辆GPS 导航定位将成为全球卫星定位系统应用的最大潜力市场之一。就我国目前情况看，车辆GPS 导航定位在专用车辆调度监控、公交车智能管理、出租车运营管理等领域具有广阔的市场前景。随着移动定位服务的广泛应用，用户数量的不断增多，人们对于位置信息的需求不断扩大，获取移动定位信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点[1]。 利用移动终端进行地理位置定位是近年来移动通信应用发展的新方向。移动定位服务是利用移动通信特有的定位功能，配合短消息等服务确定移动终端用户所在的地理位置(经纬度坐标数据)，从而提供用户所需的位置信息，并可根据用户的位置提供相关地理信息服务。如对当时道路车站、酒店、银行商场等项目的位置进行查询。同时，可根据对所需对象的地点的条件选择，可实现从现有位置到目的地之间的最佳自驾路线及公交换乘方案的选择。这给出门人及时准确把握方位，提高办事效率起到良好的向导作用。因此，具有极大的研究价值和应用前景[2]。
1 技术手段
无线通信网络技术和全球卫星定位系统(GPS)技术是移动定位系统关键的两个要素。GPS 系统是利用卫星进行测时、测距的定位系统，其定位方式分为绝对定位和相对定位。GPS 相对定位用于大地测量，目的是要测量被测量点相对于某一已知点的位置，不是直接测量被测点在WGS-84地心坐标系的绝对位置。而对于运动的目标瞬间位置和运动速度的测量是采用GPS 绝对定位方式。无论哪一种方式，都是由GPS 同时观测４颗以上的卫星，根据每颗卫星的位置和每颗卫星
与被测点的伪距数值，建立伪距定位方程组，通过对方程组求解和进行误差校正运算，得到被测点在WGS-84地心坐标系的坐标，然后转换成“新1954年北京坐标系”的坐标[3]。
目前，移动定位主要有3种方式：基于卫星，专用通信系统和公共无线通信系统(PLMTS)[4]。典型的卫星定位有美国的GPS 、俄罗斯的GLONASS 和欧洲的EUTELTRACS ；基于专用通信系统定位应用在有限区域内车辆自动定位，系统沿道路按一定间隔设置检测器，通过专用通信系统把检测车辆的标识、位置信息传送到定位中心实现移动定位；基于PLMTS(如GSM 、IS95)定位系统是根据移动终端与间传输信号特征(强度、方向、时间、频率)变化值计算终端位置。对于使用专用通信系统，由于要申请使用专用的频率资源，因此建系统的费用将很大，用户的使用费用将会很高，由此造成普遍使用的困难。由于PLMTS 日益普及，无线定位实现相对代价低，使用简便，而且可以克服市区内由于建筑物遮挡可见定位卫星数目少、GPS 定位失效的不足；此外，GSM 数字蜂窝移动通信网在国内和国际上都已非常普及，市场应用最广泛，覆盖面积最大，在技术上也是最成熟的。所以，利用GSM
移动通信网建设移动监控定位系统是当前比较合理的选择。如今GPS 接收机已经商品化，其体积可以做得很
作者简介：罗维平(1967－)，女，副教授，主研方向：检测技术与自动化装置，信号与信息处理；王 东，博士、教授；吴雨川，硕士、副教授；向 阳，副教授
收稿日期：2007-01-22 E-mail ：luoweiping888@sohu
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投影墙
小，提供串口标准数据输出，数据接口很方便。
通过GSM 移动通信网传输监控定位数据有3种方法：利用话音通道传输；利用短消息业务(SMS)传输；利用改进的GSM 高速数据通道传输。
(1)利用GSM 话音通道传输
利用GSM 的话音通道传数据和在普通电话线上几乎一样，在收发两端通过调制解调器进行数据通信，这种方法技术成熟，应用范围广，在GSM 网覆盖范围内均可使用，缺点是在数据传输之前需要先拨号，呼叫建立时间较长，一般为l0s 左右，而且通信费用与移动电话费相同，比较高。采用这种方法建立的移动监控定位系统组成如图1所示。
图1 基于GSM 话音通道的移动监控定位系统组成
在图1中，系统监控中心通过中继线路与
GSM 网交换中心连接。移动终端的数据由监控中心的调制解调器解调，经数据接口处理后送入相应分系统，如：GPS 信息送入地理信息系统(GIS)，图像和话音送入多媒体显示分系统，报警信息送入报警处理分系统。监控中心可以通过调度指挥分系统对各个移动终端进行控制。网络管理分系统负责整个网络的运行管理工作。
移动终端的设备组成如图2所示。其中，GPS 接收机可以获取位置、速度信息；摄像头捕获图像信息；
传声器传送话音；报警设备提供报警信息。这些信息送入数据接口设备进行格式转换后，再经调制解调器调制，通过手机发向GSM
图2 移动终端设备组成
(2)
利用GSM 短信监控中心定位系统消息业务(SMS)
传输
短消息业务是GSM
网的一项增值业务，它通过控制信道传输数据，支持点对点消息业务及消息广播业务等多种方式。通过短消息传输数据的移动监控定位系统组成如图3所示。与图1不同的是，移动终端的数据通过短消息全部发送到短消息业务中心，系统监控中心通过中继线路从短消息业务中心获取数据。通过短消息传输数据具有以下优点：信道建立时间短，数据传输速率快；不占用话音信道，通话时不影响数据传输；通信费用低廉；通过短消息广播业务，可提供点对多点的数据传送；系统扩容方便。缺点是：由于控制信道的传输速率较低，因此短消息数据传输速率不可能很快；受信息长度的限制，点对点信息长度为140B ，消息广播业务信息长度为82B ，因此只适用于信息量少而通信频繁的系统应用。
图3 基于SMS 的移动监控定位系统组成履带式陶瓷加热器
(3)利用GSM 高速数据通道传输 以上两种数据传送速率都较慢，适合传输诸如GPS 数据、报警信息、控制信息等较短的数据，若传输监控图像或用于移动终端下载地理信息就比较困难。为此，需要进一步提高GSM 通信网的数据传输速率。提高GSM 数据传输速率的技
术有通用分组无线服务(GPRS)和增强数据速率(EDGE)等，
它们可支持384Kb/s 的数据速率。
2 定位系统组成及工作原理
GPS 全球卫星定位系统主要用来接收卫星的定位信号，并根据收到的信号解算出当前的地理位置。本定位系统由移动受控目标(车辆)、传输网络和监控中心(调度中心)3个部分组成。其中车载GPS 系统具有车载自行定位，然后结合无线通信系统(移动通信GSM 网络)将定位信息发给监控中心。监控中心结合GIS 信息系统对车载进行调度管理和跟踪，用来调度、控制和监视受控车辆。所有传入控制中心的数据将记录在控制中心的数据库中，便于日后进行查、显示和分析。无线通信采用GSM 移动通信系统的短消息功能，该部分主要用来发送车辆的位置数据和接收来自监控中心的控制 信令。
系统各模块介绍如下：
(1)GPS/GSM 车载单元模块，其组成如图4所示。GPS 模块完成GPS 定位信号和时间同步数据的提取，对天线单元传来的GPS 信号进行记录，并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS 卫星发送的导航报文，求解信号在接收机和卫星之间的传输时间或载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式获得位置、方向、时间等的数据。GPS 模块需要配备专门的GPS 天线接收GPS 卫星信号。在选用GPS 模块时要考虑低耗能、较强的抗干扰性，从而提高定位精度和较强的防遮挡能力，防止因高楼、隧道或立交桥造成的信号阻隔。GPS 模块与单片机AT89C51之间通过RS232
图4 移动定位系统车载单元组成
CPU 与控制电路是车载核心部分，控制GSM 模块与车辆控制中心的应答响应。控制电路可实现对如安全控制车门、紧急按钮、油门控制器等的控制。车载通过接收GPS 定位信号，对车辆状态进行检测，并将车辆的位置信息和状态信息传送到车辆监控管理中心，同时接收车辆监控管理中心发送的控制数据和调度信息，并且实现对车辆的控制。
(2)GSM 网络。目前，实现通信方式有GSM 数字蜂窝移动通信、无线集技术和GPRS 通用无线分组业务等，基于
水箅GSM网络具有价格便宜、数据传输量大、覆盖范围广的特点，因此选用GSM网络来实现车载单元与控制中心的通信。
GSM模块与单片机AT89C51之间采用标准的串行口进行通信，通信的最高波特率可以达到115 200b/s。GSM模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIMDATA信号线进行数据通信。为了保证发送短消息与短消息到达之间的时间间隔尽量短，选用的SIM卡最好是同一个电信运营商提供的。GSM模块
还支持驱动两路麦克风、两路扬声器和一路蜂鸣器。其中一路麦克风和扬声器可以连到手柄的听筒上，以实现车载电话功能。目前GSM网采用的语音编码方案是13Kb/s RPF-LTP码。
由于GPS模块和GSM模块装载在车内位置之间的间距很近，而GPS模块又很容易受到射频的干扰，因此要求选用的GSM模块必须具有较低的电磁辐射。
(3)监控中心，其组成如图5所示。监控中心是由GPS数据服务器、通信控制计算机和GIS监控终端等通过网络连接组成的一个网络化的结构。运用无线电台接收车载上的无线电台发出的位置信息，同时也发出信息控制车载单元。微机在接到车载的位置信息后进行预处理，按照约定的通信协议将信息处理后，送到数据工作站。GIS监控中心通过TCP/IP 协议和接入通信网关进行通信连接，根据电子地图匹配技术，在地图上显示车辆的位置，并提供空间查询导航功能，使得车辆行驶可以选择最优化的路径，以便实现对车载的监控和调度。
图5 监控中心控制系统组成
3系统的软件设计
系统软件设计的关键和难点是GSM模块的短消息接口开发。手机短消息的开发主要包括：手机短消息的用户数据区编码和解码，通信模式设定和联机测试，短消息的收发，收发数据的关键命令字的模式匹配等。手机接口的开发主要利用AT指令集的TEXT模式，其格式为AT+命令=参数。例如，读取手机上全部未读过的短消息，最简单的方法是用AT+CMGL=0；而用AT+CMGL=4则可读取手机上的全部SMS消息。
主程序采用软件查询的方式查询标志变量来改变程序的流程。在串口中断中设置检测接收完成一个新语句的标志位，当有新语句来到时便置标志位，执行完一次后，便清标志位。这类似于PC上的软中断。如果加入按钮等控制键，也采用类似方法来执行命令。
中断程序不能太长，比如：以9 600b/s的速度接收数据，接收一个8位字符，加上起始位和停止位，需要
1ms左右的时间，AT89C51的机器周期为125ns，在1ms时间内可执行4 000个机器周期。其他传输速度可类似计算。
图6 定位系统车载部分主程序流程
4 结束语
装载有GPS/GSM接收机的移动车辆，利用GPS/GSM网络定位技术，能对移动目标的运动轨迹和对其准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询。此外，它还能及时地将车辆上人为产生的状态，如报警信息等送到监控中心。该系统具有建网投入成本低、无须投入日常传输网络设备的大量维护资金、跟踪范围广泛、积木化结构、简单方便、适用性强的优点。
同时，系统设计也存在一些问题，如：监控软件功能比较落后，动态数据处理能力较差；数据通信格式不统一，不同厂商间的产品不兼容。这些还有待于进一步地完善与改进。
参考文献
1 胡小刚, 邓中亮. 基于单片机的GPS车载终端设计[J]. 微型机与应用, 2004, (2): 24-26.
2 黄承安, 张跃. 车载GPS智能终端的设计与实现[J]. 电子技术应用, 2003, 29(7): 27-29.
3 王文清, 陈志武. 基于GPS/GSM车辆监控系统移动单元研究[J].交通科技, 2005, (209): 88-90.
4 徐志扬, 郭捷. 智能交通系统中基于GSM网络的移动定位技术[J]. 上海交通大学学报, 2003, 37(6): 866-869.
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参考文献
1 杜金榜, 钟小鹏, 王跃科. 多DSP并行处理系统的设计与开发[J].计算机测量与控制, 2006, 14(5): 658-660.
2 苏涛, 吴顺君, 廖晓. 高性能数字信号处理器与高速实时信号处理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1999.
3 孙阳, 余锋, 高昆. 支持多DSP并行处理的多功能VXI仪
器平台[J]. 电子测量与仪器学报, 2004, 18(1) : 17-22.
4李方慧, 王飞, 何佩琨, 等. TMS320C6000系列DSP原理与应用[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2003.
5王廷尧. 以太网技术与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2005.
6沈鑫剡. 交换式以太网原理、技术及实现[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1999.
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