GPS与GPRS在车载无线监测系统应用研究

张玉龙，林春丽

（辽宁科技大学 辽宁 鞍山 114051）

随着卫星定位技术和无线通信技术的发展，对车辆的调度、实时监控的技术的要求越来越强烈。GPS和GPRS以及嵌入式技术的日益成熟，将实现这一愿望成为了可能。本文所研究的车载监控系统，可以对移动机车进行定位，并通过CAN总线采集移动机车现场的情况，通过无线网络传输到监控中心的PC中，从而实现了无线监控的功能，为进一步实现全自动化、无人驾驶提供了前提条件。本设计的特点就是基于移动通信的GPRS网络作为系统的数据通讯载体，与无线电台、Wifi、蓝牙、Zigbee等网络数据链相比，造价更低，覆盖更广。另外利用GPRS网络可以方便的进行语音、文字、图像等多种形式的信息交互，也更容易推广。

1 系统结构与特点

系统主要由核心微处理器模块、GPS模块、人机交互模块、CAN通信模块、数据存储模块、GPRS模块组成。系统结构图，如图1所示。

图1 系统的结构图Fig.1 Diagram of system

系统以STC12LE5A60S2单片机作为核心，通过串口与GPS模块通信实现GPS数据的采集，用SD卡实现数据的存储，CAN总线实现现场总线的数据传输[1]。

本系统有如下优点：

1）应用GPS OEM模块接收地理位置信息，实现简单，成本降低，有利于系统升级和二次开发；

2）以GPRS模块构成无线通信网络，实现远距离实时监控；

3）模块化的程序设计增强系统软件的可移植性，易于调试和检验；

4）采用按键、LCD构成人机交互模块，使系统的操作和使用更直观，更人性化；

5）系统更新方便。只需要PC通过RS232接口就可以进行系统软件的更新。

2 系统硬件实现

本系统的硬件主要由传感器模块、GPS模块、微处理器模块、SD卡存储模块、按键、显示模块、CAN总线模块和串口通信部分组成。

2.1 单片机核心模块

本系统由STC12LE5A60S2单片机，该单片机是宏晶科技推出的一款超强抗干扰/高速/低功耗的单片机。拥有1280B内部RAM和60KB的Flash，1KB的EEPROM，内部集成MAX810专用复位电路，8路高速A/D转换，2个独立的串行口，多种省电模式。其丰富的内部资源有利于本系统的设计。2个串行口可以分别与GPS和GPRS模块通信，而无需另外扩展。

2.2 GPS-OEM模块

该模块主要负责接收GPS卫星的地理位置和速度信息，与其他信息结合在一起就可以表明不同地块的土壤和产量情况。

本设计选用的是上海合众思状的新月HC12A模块。该模块是一款单频12通道、L1载波输出接收机，具有20 Hz的原始数据、定位数据更新率，信标接收功能，WAAS功能、单机定位精度小于2.5米，3个全双工串口等多种功能，支持NMEA 0183、SLX binary、RTCM SC-104数据格式输入输出。

GPS接收机可以输出NMEA语句，内含GPS信息。常用的语句有GGA、GSV、GSA、RMC等。从这些语句中我们可以得到经纬度、海拔高度、速度、UTC时间、GPS定位精度、当前卫星状况等信息[2]。NMEA语句的格式为：

$GPXXX，<1>，<2>，<3>，…， *hh

语句以$GPXXX开头，其中XXX代表语句名称，可以为GGA等；<1>～代表不同的信息；“hh”为两个字节的CRC校验码；语句以回车换行符结束。

接收机在上电后需要进行初始化设置。其常用的设置命令有：

$JBAUD ；波特率设置

$JASC，GPXXX ；NMEA语句输出控制

$JRESET ；对接收机进行复位

$JSAVE ；保存当前设置

在本设计中，波特率一般选择为9 600 bps。当系统第一次上电时，系统会自适应的监测到接收机的波特率，然后可以根据用户的需要改变波特率。

2.3 BENQ M23 GPRS模块

M23模块是BenQ公司生产的高性能通信模块，主要由基带处理器、射频模块、闪存、电模块、天线接口、SIM卡接口等组成。作为M23的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。支持AT指令，支持EGSM900/DCS1800/DCS1900协议，支持GPRS CLASS B，提供1个上行道和4个行道。其内部集成了嵌入式TCP/P协议，可以进行透明与不透明的传输。

硬件连接完成后，在进行GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有：

1）设置通信波特率。可以使用“AT+IPR=115 200”命令，把波特率设为115 200 bps或者其他速率。SIMCOM模块默认为 115 200 bps。

2）设置接入网关，通过 AT+CGDCONT=1， “IP”， “CMNET”命令设置GPRS接入网关为移动梦网。

3）设置移动终端的类别，通过AT+CGCLASS=“B”设置移动终端的类别为B类，即同时监控多种业务；但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS上网，或者使用GSM的语音通信。

4）测试GPRS服务是否开通，使用AT+CGACT=1，命令激活GPRS功能。如果返回OK，则GPRS连接成功；如果返回ERROR，则意味着GPRS失败。这时应检查一下SIM卡的GPRS业务是否已经开通，GPRS模块天线是否安装正确等问题。

中国移动在GPRS与Internet网中间建立了许多相当于ISP的网关支持节点（GGSN），以连接GPRS网与外部的Internet网。GPRS模块可以通过拨“*99***1#”登录到GGSN上动态分配到Internet网的IP地址。其间GPRS模块与网关的通信要符合点对点协议（Point to Point Protocol，PPP），其中身份验证时用户名、密码都为空。使用PPP协议登录上之后，就可以通过GGSN接上Internet了。

GPRS模块实现TCP连接的AT指令主要操作步骤：AT

AT+ccid //检测是否装有SIM卡

AT+cgmr

//检测软件版本，5.0以上的才有GPRS功能支持

AT+csq

//检测信号质量，确定是否可以登陆上网络；若返回10——31，0之间的信号数字则继续，如果信号是99，99，则应该考虑不停的的让模块去搜寻网络。

AT+CGCLASS="B" //设置模块工作类型

AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"

AT+CGATT=1 //激活 PDP，获得 IP

AT+CIPCSGP=1，"CMNET"

AT+CIPSTART="TCP"，211.147.18.79，1433

AT+CIPSEND

//返回“>”后输入要传输的数据，再发送CTRL+Z，即将所要发送的数据发送到指定IP的服务器上

AT+CIPCLOSE

//只有在TCP/UDP处于CONNECT OK的状态下才返回OK，否则返回ERROR

AT+CIPSHUT //关闭移动场景

2.4 人机交互模块

这部分由键盘和LCD液晶屏组成，主要用于参数设置和界面显示。可设置采样频率、存储周期、故障门限、GPS OEM的输出波特率、NMEA语句选择、控制系统的启停和数据上传等。本设计使用的是液晶屏128×64的LCD，按键采用直接连接的四个按键，操作简单，效果直观。硬件接口也非常方便。4个按键功能分别是：翻页、移位、确定、设定。LCD显示按分屏实现，分为数据显示屏、变量控制屏、参数设置屏、系统状态屏等多界面操作。在不同界面，按键对应不同的功能。这样可以较少的硬件资源实现更多的功能。

2.5 CAN总线通信接口

本系统需要同其它现场检测模块进行通信获得例如产量、故障等信息，这主要通过CAN实现。这部分电路由CAN控制器SJA1000、CAN收发器82C250和两片光耦6N137构成。在通信时相当于单片机访问外部存储器，当有数据输入时，有中断到MCU。其接口如图2所示。

图2 单片机与CAN接口电路Fig.2 Circuit of interface between CAN and MCU

3 系统软件设计

3.1 单片机程序

各模块均按结构化程序设计思想进行设计，有利于系统的软件的维护和移植，尤其是通信模块、温湿度显示模块和数据采集模块，只需修改相应参数，便可适用于不同设备的数据采集系统[3]。

系统程序流程图如图3所示。

3.2 监控主机程序

监控系统的主机程序主要实现了PC机与监控系统的简单通信，采用Visual Basic 6.0进行程序编写。系统将数据通过GPRS网络[4-6]传到PC主机，存储到Excel数据库中，为以后的数据处理提供前提条件。还可以用语音与现场操作人员直接交流，分配任务等。

4 结 论

图3 系统程序流程图Fig.3 Flow chart of system program

本系统经调试，软硬件均可正常运行，可以正常同其他CAN总线设备通信，实现实时显示现场的数据的功能，将GPS信息其他车载信息，通过GPRS模块上传到PC机经上位机软件转存到Excel中，最后可以导入到GIS软件[7]（如ArcGIS）中进行后处理。系统还可以通过M23模块进行实时语音、短消息等多种方式进行通信。本系统可以广泛的应用在长途大巴车无线监控系统、出租车/公交车管理系统、物流车辆管理系统等需要实现远程监控的各个领域。

[1]李征航.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[2]李朝清.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]饶运涛等.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]摩托罗拉工程学院.GPRS网络技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[5]杨威.利用GPRS网络实现远程监控[J].航空制造技术，2010（22）：123-125.YANG Wei.Using GPRS network to realize long-distance monitoring[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010（22）：123-125.

[6]凡书明.车载导航系统终端的研究[J].电子测试，2010（11）：67-71.FAN Shu-ming.Vehicle navigation system based on ARM[J].Electronic Test，2010（11）：67-71.

[7]范柳青，范柳.基于GIS的通信指挥网上训练系统设计[J].现代电子技术，2010（22）：145-147.FAN Liu-qing，FAN Liu.Design of communication command on-line training system based on GIS[J].Modern Electronics Technique，2010（22）：145-147.