基于GR47模块的车辆定位监控系统移动终端的设计

1 引言

本次设计的车辆定位监控系统,是采用世界领先的GPS全球卫星定位技术、GSM/GPRS全球移动通信技术、GIS地理信息处理技术以及数据处理技术,开发出的一套远程监控管理系统。利用该系统可以远程无线监控、调度所有在GPRS+GSM网覆盖范围内的警用车辆、急救车辆、消防车辆、出租车辆、租赁车辆、民用车辆等移动目标。移动目标的GPS数据、其他指令及各类报警数据均由GPRS信道传送到远程数据处理中心,并可根据需要进行语音通话。

2 GR47的功能特点

GR47是可以配置的,使得外部输入、输出接口提供的外部控制应用更有效。嵌入式的控制器对于在报警、仪表采集和应用公布等群组应用领域是可以访问的,并且支持C语言编程。GR47独特的优势是:传输大量数据并始终保持连接,根据我们在不同地区的测试,掉线几率是同类模块最小的; 本身具有TCP/IP协议栈功能,还可以开放内部CPU资源,同时拥有所有M2M通信必需的功能。

图1所示为GR47的内部实时操作系统(RTOS)及外部硬件接口框图。控制器位于GR47的内部,运行实时操作系统。RTOS给用户提供了GSM 处理程序,AT 指令通道函数, TCP/IP协议,UART、I/O 口、I2C、SPI总线等外部接口的驱动函数及一些其它的应用函数。微控制器在后台运行,所以并不影响模块的GSM 功能。用户将应用程序以脚本的形式下载到模块的FLASH中,模块使用了一个解释器,解释器从FLASH中读入脚本,并且逐行解释,使之执行所需功能。GR47的外部有3个串口,其中串口1 作AT指令通道或程序下载用,串口2主要用于调试程序,串口3为通用232口,可以连接其它外部设备,另外还有I2C、SPI总线和8 根I/O线。



图1 GR47 模块框图

GR47模块有两种工作方式,一种是内部控制器方式,即直接利用模块内嵌的CPU和开放的系统资源,将应用程序下载到模块中使用,脚本在模块本身的内部控制器中运行,脚本运行的时候模块可以发送和接收数据并对其进行处理;另一种方式是外部控制器方式,即将模块嵌入到用户的系统中使用,外挂处理器对其进行操作控制,脚本在外部微控制器中运行。它的一个典型的应用是: 将一个微控制器和GR47模块结合起来,从微处理器通过UART1向GR47发送AT指令。

图2和图3描述了GR47分别工作于内部控制器方式和外部控制器方式的两个无线通信系统的原理框图。从图中可以看出,不论是外部控制器还是内部的嵌入式应用程序都是通过串口与GSM/GPRS移动站进行通信的。此外,利用GR47的I2C总线和I/O线可以与其它许多外部设备进行通信,总之, GR47模块以其独特的优势将在各行各业发挥重要的作用。


图2 内部控制器方式

图3 外部控制器方式

3 系统设计

整个系统如图4所示，由GPS全球定位系统、移动终端、GSM/GPRS网络和远程监控中心几部分组成: GPS全球定位系统主要用来接收卫星的定位信号,并解算出车载机当前的地理位置;无线通信系统采用GPRS 移动通信系统,主要用于实时将经移动终端通信控制设备编码后的移动车辆的经度、纬度、速度、运动方向、时间、车辆状态以及报警等信息上传至监控中心,并将监控中心对移动端的控制命令下发至移动端;监控工作站将接收到的车辆位置和状态信息进行适当的数据处理后将车辆的位置及其轨迹在电子地图上显示出来。从而达到对移动车辆的实时监控的目的。同时监控中心也可向移动终端发送指令实现对车辆的调度管理。


图4 车辆定位监控系统原理图

本设计中的移动终端是车辆定位监控系统的核心,主要由GPS接收单元, GPRS通信单元,主控制器单元,中文液晶显示屏与键盘组成的人机交互单元及电话手柄组成。其结构框图如图5所示:


图5 车载终端硬件结构框图

3. 1 GPRS通信单元和主控制单元

GR47带有GSM/GPRS全套语音和数据功能,集成有功能强大的CPU并向用户开放其系统资源,同时模块内嵌有TCP/IP协议栈和实时操作系统,可以集车载机的GPRS通信和主控制器功能于一体。本设计中, GR47模块工作于内部控制器方式,控制器用于协调移动终端中各模块的工作,进行必要的数据处理。同时, GR47具有GPRS和SMS两种无线数据传输通道。在GPRS网络状态良好的情况下,优先通过GPRS通信方式将车辆所在位置、速度、车号等信息传输到监控中心并接收来自监控中心的指令。与此同时, GR47不断轮回检查GPRS网络状态,当出现网络拥塞、GPRS未覆盖或者中心工作人员误操作导致TCP/IP连接断开时,会立刻切换到SMS方式直至TCP/IP重新建立连接。

3. 2 GPS接收单元

GPS-OEM板是GPS接收单元的主要组成部分,通过天线接收来自GPS卫星的定位信号,经过变频、放大、滤波等一系列处理过程, 实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,产生计算位置的数据信息(包括纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等) 通过标准RS232串口与GR47进行通信,GR47循环接收GPS —OEM板发来的定位信息,经过解算后提取出用户感兴趣的数据信息(如纬度、经度、高度、速度、日期、时间等) ,并加上包头形成一个数据包通过无线信道发送至监控中心。

3. 3 人机交互单元

GR47模块本身提供4根行线和4 根列线,只需要很少的外围电路即可实现的4 ×5键盘,并且开发包中提供键盘扫描函数,软件实现也相当方便。联合嵌入式应用脚本语言后,直接利用模块上的键盘接口和I2C接口,不需要外挂控制器即可提供简单的人机界面。

显示屏主要是将监控中心下发的控制信息以及文本信息显示在液晶屏幕上。本设计中利用GR47模块的I2C接口, 通过I2C转并口芯片PCF837GA来控制并口控制的LCD模块,如图6所示。当脚本运行时,通过写入I2C数据以设置GPIO芯片的输出。GPIO的输出与LCD模块的数据和控制线连接。高速的I2C数据输出使得我们可以建立一组高达8位的离散波形,以符合LCD接口的要求。


图6显示屏接口原理图

3. 4 电话手柄单元

本设计中的电话单元既可以通过软件设置与监控中心进行通话,也可以通过手柄任意拨打和接听电话。GR47模块提供语音信号线,设计者只需经过放大、滤波即可获得音质良好的语音信号。

4 软件工作流程

本系统的软件工作流程如图7所示。


图7软件流程

5 结论

由于该系统充分利用了GR47的A/D转换、UART、I2C等各种功能,因此,其结构紧凑,不论是软件还是硬件的开发都非常方便,提高了开发效率,降低了成本,并且产品功能大大增强。该车载移动终端经过严格的工程测试和长时间的试运行,工作稳定、性能可靠,目前已批量生产。