基于GPS和GPRS的班车定位系统设计

刘涛　肖磊

【摘 要】为了解决一些单位员工在上下班路上等待班车，因不能及时获取班车当前的运行位置，造成时间浪费或者错过班车等问题，设计了一种基于GPS和GPRS技术的班车定位系统，结合手机电子地图，来实现车辆的实时定位，用户可以通过手机地图实时查看车辆的位置信息。

【关键词】车辆；GPS；电子地图；定位

【Abstract】Many employees often waste a lot of time or miss the bus when they waiting for the vehicle， because they cannot access to the bus position timely. This paper designed a system based on GPS and GPRS technology， combined with the mobile phone map， to achieve real-time positioning of the vehicle， the user can view real-time vehicle location information through the mobile phone map.

【Key words】Vehicle； GPS； Electronic map； Positioning

0 引言

很多学校和企事业单位都有自己的班车，会根据员工的居住地点，设置不同的线路和站点。比如，作者所在的单位，有早、中、晚三班班车，早班和晚班班车又分为三条不同的线路，每条线路有两辆班车，设置6至10个站点。在道路拥堵及极端天气情况下，经常会发生班车不能按照预定时间到达站点的现象。而欲乘坐班车的人员可能并不知道班车的运行情况，比如，在预定的时刻，班车未按时出现，这种情况究竟是班车还未到达，还是已经开过站点了，如果班车未到距离本站的距离还有多远，这种情况往往会造成乘车人员的焦急。如果能够实时采集班车的运行位置，并通过手机地图进行显示，那么用户就可以方便的查看班车的运行状态，获取班车的位置信息，以便决定是否继续等待，还是选择乘坐其他交通工具。本文设计了一种基于单片机和GPS定位技术的车载终端，实时获取车辆的经纬度信息，并通过GPRS网络将数据发送到服务器端，服务器监控程序接收数据并处理后，将数据存放到数据库。用户可以通过手机APP访问服务器，系统会根据不同线路不同班车，在电子地图上实时显示车辆当前的运行位置。

1 系统整体架构

系统的架构主要分为三个部分：车载终端、服务器监控程序、手机客户端，如图1所示。

车载终端放置在班车上，上面带有GPS模块，用来接收GPS卫星信号，获取车辆的经纬度信息，并通过GPRS网络传送至Internet网络，最终传送至服务器端[1]。服务器监控程序接收到车辆的数据后，会进行坐标的变换，转换成百度地图坐标，并存储到数据库中。手机客户端需要安装一个APP，可以选择不同的班车路线，定时向服务器发送查询请求，服务器会返回当前的车辆经纬度，并在电子地图上实时标注出来。

2 车载终端

2.1 硬件设计

车载终端主要由单片机、GPRS模块、GPS模块、串口模块、电源模块、LCD显示屏组成[1]。

其中，单片机采用8051系列STC12C5A60S2单片机，是整个终端设备的控制中心，它有两个全双工串行通信接口（UART1、UART2）。GPRS模块采用SIM900B，它是一款新型无线模块，可实现语音、SMS、数据的传输，并且功耗很低[2]。SIM900B与单片机是通过UART1串口通信的。GPS模块采用瑞士ublox NEO模块，定位精度可以达到2.5m，它与单片机通过UART2串口通信。RS-232串口主要用来与PC通信，实现单片机程序的下载，GPS模块采集的数据也可以通过该串口直接发送到上位机。LCD液晶采用 NOKIA5110，可以用来显示车辆的经纬度、速率、温度等信息。车载终端的工作原理是：GPS模块采集车辆的经纬度信息，通过UART2串口传送给单片机，单片机通过UART1串口发送给SIM900B模块，SIM900B模块采用GPRS方式发送到远端的服务器监控程序。

2.2 GPS信号处理

系统上电后，GPS模块每隔固定的周期就会返回以字符‘$开头的一定格式的数据[3]，如$GPRMC，022451.00，A，3658.87945，N，11710.19702，

E，0.768，316.57，131115，A*63，其中GPRMC代表推荐的最小定位信息。GPRMC数据格式为：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh。其中：<1>代表时间；<2>代表定位状态，如果为A，则表示定位有效，数据可以使用，如果为V，表示定位无效，数据舍弃；<3>代表纬度；<4>代表纬度半球；<5>代表经度；<6>代表经度半球；<7>代表地面速率[3]。

其中，经纬度为度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）格式，在实际计算中需要转换成度分秒的格式。如接收的GPS信号中纬度是：3658.87698，计算步骤如下：

1）计算度

3658.87698/100=36.5887698

可以得到36度

2）计算分

3658.87698-36*100=58.87698

可以得到58分

3）计算秒

58.87698-58=0.87698

0.87698*60=52.6188

可以得到52秒

所以纬度是：36度58分52秒。

2.3 GPRS数据发送

为了区分不同的车载终端，需要为每个终端增加标识符，并与经纬度信息、速率等一起进行打包，生成一个新的字符串，通过GPRS模块发送到服务器监控中心。封装后的数据格式为：CarID，1，Lat：36.588640， Lon：117.102200，Spd：45.863950，Y。其中，CarID代表车辆的标识符，每个终端是唯一的，Lat代表纬度，Lon代表经度，Spd代表速率，Y代表字符串结束符。

GPRS模块与服务器之间的通信协议采用UDP协议。TCP是一种面向连接的协议，可以提供可靠的数据传输，但是以增加网络资源消耗作为代价，UDP是面向非连接的协议，使用UDP连接，当网络拥塞时，会丢弃部分数据包，但可以改善接收数据滞后的情况。班车定位系统对数据的实时性要求很高，超过一定时间的数据就没有参考价值了[4]，因此我们采用UDP协议。

3 服务器监控程序

3.1 主要功能

服务端主要实现三个功能：（1）与不同车载终端的GPRS模块建立UDP连接，实时接收车辆的经纬度信息，并进行解析、坐标转换、存储，如图3所示；（2）响应手机客户端查询请求，定时向客户端返回班车经纬度信息；（3）存储车辆、班车路线等基本信息。

3.2 系统设计

服务器监控程序采用java语言实现，采用Struts+Spring+Ibatis的框架，使用MySQL数据库。

为了便于系统维护，将大部分处理逻辑放到服务器端实现，手机APP界面上的一些菜单数据也放到数据库中管理，这样如果APP界面有改动，比如班车路线、发车时间等发生变化，就不需要修改客户端程序，只需要修改服务器端程序，或修改数据库中的数据就可以，减少用户更新客户端的次数。

3.3 坐标转换

GPS模块采集的经纬度属于地球坐标，即WGS-84坐标，而我们国家出于安全考虑，将地球坐标重新进行加密，形成火星坐标。由于我们采用的是百度地图，需要在火星坐标的基础上进行二次加密，形成百度地图上的坐标。坐标转换顺序如图4所示。

4 手机客户端

手机端应用程序（APP）基于Android系统开发，整个系统的界面分为三部分：登录界面、线路选择界面和地图定位界面。登录界面如图5所示。

线路选择界面如图6所示。用户登录手机APP后可以选择查询的路线，在地图定位界面会用图标标出各个站点，绘制出该路线车辆的运行轨迹，及车辆当前的位置，并定时进行更新，用户可以很方便地查看该线路班车是否到达本站等信息，如图7所示。

5 系统测试结果

通过对不同线路、不同时间的班车进行真实测试，定位误差基本在3m以内，完全可以达到系统的需求。

6 结束语

该系统的设计与实现，可以极大的解决各企事业单位、学校等人员乘坐班车的问题，方便乘客及时查询车辆的实时位置，减少不必要的等待，节省花费在上班路上的时间，提升企业的人为关怀。后期系统还可以扩展更多的功能，比如车内温湿度的监测、车辆到达站点的时间预估、车内视频监控、历史轨迹回放等。

【参考文献】

[1]刘爽，贾传荧，贾银山，马文耀.基于GPS/GSM和电子地图的车辆定位系统设计与实现[J].辽宁石油化工大学学报，2005，25（1）：82-85.

[2]李涛，马殷元，杨东.基于STM32的GPRS远程监测终端设计[J].电子世界，2012.06：126-127.

[3]郭涛，郝亮，曹景胜，王群，于继开.基于GPS的汽车电动助力转向模拟系统设计[J].汽车工程师，2014，12：34-37.

[4]郭龙.基于GPS/GPRS车辆远程监控系统车载装置的设计[D].南京：东南大学，2007.

[责任编辑：王楠]