基于gpsgprs的车载监控终端的设计学士学位论文.docx

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基于gpsgprs的车载监控终端的设计学士学位论文

摘要

近几年来，随着人民生活水平的日益提高，城市中的车辆日益增多，以及由此产生的交通阻塞、工作效率降低等问题也日趋严重；通过车载定位与监控系统，对市区内的车辆进行有效的指挥和监控，可以有效的缓解交通紧张状况，对合理的分配、调度资源、震慑针对于车辆的犯罪等都有着重要的意义。

本文首先对全球卫星定位系统（GPS）的定位技术进行了介绍，对GPRS移动通信系统及进行了论述,对ARM处理器进行了详细介绍，在此基础上，本文主要介绍车载监控终端研发中的两个方面的工作：

1.车载监控终端核心板的硬件设计：

介绍采用ARM7核的LPC2104的特性；GPS信号接收机的基本结构、主要功能、接口定义；GPRS模块的开发，针对wavecomQ2403模块的数据接口、数据传输形式、引脚功能及与LPC2104的接口设计作了相应的介绍；为满足各个芯片不同的电源要求设计电源电路；系统采用模拟总线技术扩充两个串口来弥补LPC2104的串口不足；用Flash来存储定位数据和监控中心发来的消息。

2．详细介绍了车载监控终端的外围设备设计，包括红外电话拨号器，音频放大电路、LCD显示屏等的设计。

另外对LCD软件体系结构和显示屏消息菜单也做了相应的介绍。

最后，对本文所设计的系统进行了一系列的GPS定位和定位信息的传输实验，并对外围设备进行测试，系统性能性能稳定，达到了设计要求。

关键词：

全球定位系统；GPRS；车载监控；嵌入式操作系统

Abstract

Inrecentyears,alongwiththelevelofpeople'slifeisincreasingdaybyday,thecityofincreasingvehicle,andtheresultinginatrafficjam,workproductivityareyueisserious;Throughthecarpositioningandmonitoringsystem,thevehicleintheeffectivecommandandcontrol,caneffectivelyrelievetrafficemergencies,reasonableallocationofresources,scheduling,stunningbasedonthevehiclecrimeandsoon,allhavetheimportantmeaning.

Thispaperfirsttotheglobalpositioningsystem（GPS）positioningtechnology,introducesGPRSmobilecommunicationsystemandwerediscussed,ontheARMprocessorcarriedonthedetailedintroduction,basedonthis,thispapermainlyintroducestheon-boardmonitorterminalofthedevelopingtwoaspectsofwork:

1.Thecoreofthemonitorterminalboardhardwaredesign:

ARM7introducedthecharacteristicsofthenuclearLPC2104;GPSsignalreceiverofbasicstructure,mainfunction,theinterfacedefinition;GPRSmoduledevelopment,forwavecomQ2403moduledatainterface,datatransmissiontypes,pinfunctionandandLPC2104interfacedesignforthecorrespondingintroduction;Tomeetthedifferentrequirementsofeachchippowersupplypowersupplycircuitdesign;BysimulatingsystembustechnologytomakeupfortwoserialportexpansionLPC2104serialportisinsufficient;UseFlashtostorepositioningdataandthemonitoringcenteronthenews.

2.Detailedintroducestheon-boardmonitorterminaloftheperipheralequipmentdesign,includinginfraredphonedialer,audioamplifiercircuit,LCDdisplayscreens,etcdesign.InadditiontoLCDsoftwaresystemstructureanddisplaynewsmenuhavealsomadethecorrespondingintroduction.

Finally,thesystemdesignedforthisarticlecarriedonaseriesofGPSpositioningandpositioninginformationtransmissionexperiment,andtheperipheralequipmenttotest,thesystemperformancestableperformanceandmeetthedesignrequirements.

Keywords：

GPS；GPRS；Ehiclesupervision；Embeddedsystem。

第1章绪论

车辆监控系统是融合了全球卫星定位技术、地理信息技术和无线通信技术于一体的综合系统。

该系统将移动车辆接收到GPS数据（经纬度、高度、时间、速度等）进行解析，并实时地通过无线通信信道上传至监控中心。

监控中心在电子地图上对被监控车辆的参数进行显示监控和查询，同时利用无线通信链路向移动终端发送控制和消息。

该系统适用于不同的监控场合，经济效益和社会效益明显，可广泛地应用于客运、银行、公安、物流行业、车辆自动导航、公交智能交通管理等领域。

1.1课题研究目的及意义

随着社会经济建设的飞速发展和城市规模的不断扩大，城市公路交通系统变得越来越复杂，特别是近年来车辆增长的速度己经远远高于道路和其它交通设施的增长速度，目前我国城市的机动车保有量正高速增长，目前己达几千万辆。

然而在我国城市道路的增长率则仅为3%左右，由此而带来的道路堵塞、交通事故、环境污染以及能源浪费等现象在世界范围内也变得越来越严重。

低效率利用道路及管理技术落后并存的现象又加剧了因交通设施短缺所造成的困难，我国大中城市普遍存在着人车混行、运输效能低下的现象。

同时，盗、抢机动车案件犯罪的发案总数正呈明显的上升，汽车的防盗、防抢问题也变得越来越重要。

因此，发展智能交通系统的意义非常重大。

智能交通系统是利用尖端的电子信息技术，形成人员、公路和车辆三位一体的新型公路交通系统的总称。

目前对移动目标进行定位的技术主要有两种：

地面无线电定位和卫星定位。

在早期的城市汽车定位系统采用无线电定位方式进行定位，它主要通过在城市各地设置许多小型无线电台，利用汽车的接收机接收各电台发出的无线电信号，用交叉定位方式进行定位。

这种定位方式不仅精度差，而且费用昂贵，难以在民间推广。

卫星监控是天文监控与无线电监控的结合物，与传统的监控系统相比，它具有覆盖面积大、不受气候的影响、定位精度高等优点。

GPS是美国在20世纪70年代开始研制的第二代卫星监控系统，具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、使用广泛等显著特点，因而在海、陆、空移动物体的监控、制导、大地测量和工程测量的精密定位、时间传递和运动物体的速度测量方面都获得了大量的应用。

近年来，微电子技术的迅速发展使得GPS接收机的体积更小、价格更便宜、使用范围更广泛；美国于2000年5月1日取消了SA政策，停止对民间用户精度的限制，使得GPS定位精度有了很大的提高，这些都大大激发了GPS在民用领域的发展，尤其是在车辆监控领域的发展。

最近对车辆定位监控系统的研究结果表明，GPS定位技术在车辆定位监控领域中具有广阔的应用前景。

打破国外的技术垄断，开发具有自主知识产权的车辆监控产品将具有深层次的意义。

1.2车载监控系统的发展背景及研究现状

1.2.1车载监控系统的发展背景

在当前信息社会中，交通运输的合理调度与管理是一个重要问题，也是促进社会生产发展和人类生活的关键环节。

例如，出租汽车公司的汽车监控和调度、公共汽车的合理调度、公安警车的调度和指挥，运钞车的监控、各专业运输公司车辆的监控等等，都需要实时向总部汇报自己所在的位置（及速度）和运营状况，或者总部实时地询问各车辆的位置和状态，以便及时指挥车辆，灵活地处理所遇到的情况。

我国城市交通管理逐渐由分散变为集中，车辆管理除了采用政府行政管理外，大都在酝酿城市车辆调度管理系统，以便采用科学手段管理城市公共交通车辆。

运用3s技术，建立一个完善的城市公共信息服务网是解决城市交通的高效、统一、共享的理想方案。

因此，必须改变传统的交通发展模式，研究符合可持续发展战略的交通模式在我国己势在必行，这也是国际交通发展的大趋势。

电子技术、通信技术、计算机技术和人工智能的发展为解决交通问题提供了思路，即不仅应该修建更多的交通建设设施，而且更应该采用先进信息技术路网络和城市交通进行更有效的控制与管理。

发展车辆监控与调度系统，可提高交通的机动、安全性，最大限度地发挥现有道路系统的交通效率。

特别是全球定位系统的建立，为全球范围内的用户提供了一种廉价、实用的定位手段：

以及我国的通讯事业迅猛发展，比如中国移动的GPRS和中国联通CDMAIX2.5G数据通讯网车载监控系统的研究网络的建立，使车辆监控与调度系统的发展进入了高潮。

1.2.2车载监控系统的研究现状

近十多年来，美国、以色列、日本等发达国家先后研究、开发了各种车辆监控与调度系统。

60年代末期，美国公路局提出了一种电子路径引导系统。

这是一种具有无线路径引导能力的监控系统，ROMEGUIDANCE用于控制和疏导交通。

当车辆接近主要交叉路口时，目的地编码从车载无线收发机通过埋在路面下的环形天线传到指向标上。

这些天线通常设置在离交叉路口较近的路面下，通过同轴电缆连接到路边的控制器上。

这个控制器同中央计算机连接以便得到有关的实时交通数据和信息。

与此同时，监控与导航系统的概念和相关的研究范围也开始扩展，从单一的车辆监控和导航发展到能够进行道路和车辆双向信息交换的智能车辆道路系统，进而演变成集交通基础设施智能化、交通工具智能化、交通管理智能化概念为一体的智能交通系统。

日本是当今车辆监控与导航系统和智能交通系统发展最为成功的国家之一，它的研究计划始于1971年的综合车辆交通控制系统，80年代，日本生产了除了配有彩色显示器并使用CD-ROM存放数字地图和无线通信技术的自主式引导系统。

此后随着GPS、地图匹配、语音引导等新技术的应用，各式各样的车载监控与导航系统产品不断被推向市场。

到1995年，这类系统在日本的销量己经超过了120万台。

从九十年代初期开始，我国车辆监控与调度系统应用走过了及其起伏而缓慢的发展道路，经历了几起几落的艰难历程。

1994年到1995年间是第一波，当时有上百家公司都来抢占GPS车辆跟踪系统市场，其中有几家具备经济实力的公司，但真正成功者不多。

究其原因不外乎两个，一是市场尚未形成，用户还没有迫切需求；二是技术途径尚不完善，做成的大多是实验室内刚出笼的，还达不到商品化程度的产品。

再一个当时我们的通讯手段也不够先进，满足不了系统的定位信息交换的要求。

1998-2000年，技术又有了较大的提高与发展，通信网络开始采用GSM公众网的短信息服务，但还不成熟。

从2000年开始，GPS车辆监控系统市场的热潮到来，较成熟的产品不断被推出。

短消息服务（SMS）营运模式存在着固有的缺陷：

短消息按条收费，由于系统为了通讯需要频繁的使车载终端与监控中心保持联系，即使在有优惠措施的情况下也需要用户付出高昂的通信费用，短消息还容易出现延迟、丢失的现象，降低了系统的实时性和可靠性。

而采用GPRS技术实现数据的远程传输可以很好的解决上述问题，采用这项较新的数据业务，充分发挥GPRS网络永久在线和网络传递信息的实时性以及通讯费用是按流量而非按时间计费的特点，来有效解决一些长期困扰GPS车辆监控系统在应用中遇到的一些问题。

运用这套全新的车辆监控系统，系统能大幅度的提高稳定性、可靠性、实时性，同时也能大幅度降低系统的运营费用。

在采用新的系统后，由于改变了系统的通讯方式，运用了成熟的无线数据网络，有利于系统进一步扩展其功能，让系统实现无线传输图像等功能。

联通CDMA相比GPRS，还存在资费高，覆盖面窄的缺点，所以系统采用GPRS通信方式。

论文将按在GPRS网络工作正常的情况下采用GPRS网络进行数据传输，当GPRS网络不能稳定工作平滑的过渡到GSM短信息方式进行数据传输。

这样既保证了系统通信的速率和实时性，又使系统具有很好的环境适应性。

理论上GPRS网络传输数据的上限为171kbps，目前，我国正处于GPRS技术应用的蓬勃发展阶段，许多城市GPRS网络可以提供40-70kbps的传输速率，随着现有网络的完善和技术的提升，GPRS数据传输速率和服务质量将稳步提升。

因此采用GPRS技术作为车载监控终端的数据传输方案将成为车载监控终端发展的一个趋势。

车辆监控系统是应用自动车辆定位技术、数据库技术、计算机技术和现代通信技术的高科技综合系统，并能为车辆驾驶员和系统调度员提供以下重要功能：

1．自动车辆定位。

可在出行时准确、实时地确定出车辆当前的位置，并以图形化方式显示在电子地图背景中。

2．车辆状态监控。

实时地把车辆信息返回到监控与调度中心，中心根据车辆状态来指挥车辆。

3.车辆调度指挥。

根据从信息数据得到的车辆信息做出相应的调度命令进行车辆调度。

4．无线通讯功能。

可以通过无线数据网络接收实时交通信息广播，使用户及时掌握最新的道路状况，同时还可以将车辆状况报告给交通控制中心，实现报警、求助和通信功能。

由于先进技术的迅猛发展，在过去的10年中现代车辆监控和调度系统有了很大的改进。

最新市场预测研究表明车辆监控调度和导航设备及系统具有巨大潜力。

其中的一份研究显示，2004年全世界对装有全球定位系统（GPS）接收机的车用定位装置的需求在市场上的销售额达到30亿美元。

仅以2005年为例，一项日本研究预测这一年定位和监控装置在日本的总销售量可达三百万台，一项美国研究预测美国总销售量可达两千二百五十万台。

而对于我国来说，近几年来汽车工业的高速发展，私人拥有车辆数量不断高速增长，车辆安全成为一个重要问题。

我国几大轿车生产厂家都有意将车辆监控作为整车出厂的标准配置，这样会很快形成批量需求，而且由于汽车行业竞争激烈，为了争取达到行业中的有利地位，各个厂家会迅速采取行动。

国内GPS应用最大的利好来自2008年的北京奥运会。

奥运智能交通信息综合服务系统对电子地图的迫切需求，也将带动系统技术、中心软件、终端产品、信息服务、增值服务等产业链中各环节的发展。

北京市在2008年之前给全市的公共汽车安装GPS监控系统。

全市的公共汽车约有700多条线路，车辆数万台，预计GPS系统的装置费用约19.2亿元人民币。

北京市的出租车也于年2008之前完成GPS监控系统的安装，以便通过出租车监控中心监控每一辆出租车的位置，保障乘客和司机的生命财产安全，这部分预算约为人民币6.8亿元。

据悉，全国物流业的运输车辆将会陆续安装GPS监控及安全系统，近两年之内将有100，000辆，三到四年内将有100万辆运输车安装GPS安全监控系统。

这一项预算费用约在191.8亿元人民币左右。

所有的市场研究都预示着车辆监控具有光明的前景，而我国要发展具有自主知识产权的车辆监控系统也迫在眉睫。

1.3主要完成的工作

车载监控系统设计主要运用卫星定位技术、无线通讯技术、电路设计、红外技术和计算机技术等，设计出一套设计费用低、运营费用低、性能稳定可靠并且基于移动通信网络的车辆监控与调度系统。

根据项目的具体工作特点，在课题中本人完成了如下工作：

1.对GPS卫星定位系统的原理、GPRS无线通信技术、ARM处理器的原理进行了深入的研究和探讨；

2．完成车载台核心板设计，对采用ARM7核的LPC2104的特性，GPS、GPRS、Flash等模块基本结构、主要功能，接口定义及与LPC2104的接口设计进行了深入的研究；设计实现了模拟总线方法来扩充串口；对提高PCB板稳定性及抗干扰能力也进行了探讨；

3.外围设备的设计：

其中包括LCD显示屏、红外无线电话手柄，手柄由红外发射器、红外接收器、键盘、LED显示屏及音频放大电路、麦克风、耳机接口等部分组成。

通过音频放大电路实现电话免提功能。

第2章GPS、GPRS原理和ARM简介

2.1GPS原理

2.1.1GPS发展历史与系统组成

为了解决海军舰艇的定位监控导航问题，自1957年人类发射第一颗卫星开始，美国海军就着手卫星定位方面的研究工作，产生了子午仪卫星监控导航系统，尽管子午仪卫星导航系统得到了广泛的应用，并显示出巨大的优越性，但在实际应用方面仍存在缺陷，如观测时间较长，定位精度不高，只有经纬度，没有高程。

鉴于子午仪卫星导航系统存在的缺陷，美国国防部制定了现在的GPS（全球卫星定位系统）方案，该方案耗资120亿美元，由24颗卫星组成，这些卫星分布在互成120度的轨道平面上，每个轨道平面平均分布8颗卫星。

GPS卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定位服务。

P码为军方服务，定位精度达到3米；C/A码对社会开放，定位精度为14米。

出于自身安全的考虑，美国先后实施了SA和AS政策。

SA政策在C/A码中人为引入了误差，使定位精度下降到100米；AS政策则对P码实行加密。

随着2000年SA政策的取消，GPS对社会开放，各类接收机、测量设备如雨后春笋般涌现，并广泛应用于各行各业，彻底改变了传统的定位监控方式。

GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

GPS的空间星座部分由24颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成；GPS的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括1个主控站、3个注入站和5个监测站；GPS的用户设各主要由接收机硬件和处理软件组成。

用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行监控和定位的目的。

2.1.2GPS原理

24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。

考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

2.1.3GPS应用

自GPS对民间开放以来，各种产品、应用层出不穷，GPS已经深入国民生产、日常生活的方方面面。

1、测量

与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：

测量精度高：

操作简便，仪器体积小，便于携带；全天候操作；观测点之间无须通视；测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。

2、交通

出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送请求，降低能源消耗，节省运行成本。

GPS在车辆监控导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时广播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。

车辆的GPS设备接收到GPS信号后，通过无线网络将信号传输给监控中心，这样监控中心就可以掌握车辆的位置、速度、行车动态。

民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。

3、救援

利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。

特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。

有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。

装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。

4、农业

当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的精准农业耕作。

该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。

5、娱乐

随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。

野营者携带GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路。

2.1.4GPS设备性能指标

市场上GPS设各种类很多，大部分都嵌入GPS定位模块，GPS定位模块是衡量GPS设备性能的关键：

市场常用的GPS模块生产厂家有UBLOX公司、SIMENSE公司、MOTOROLA公司等，评价其产品的性能指标大致如下：

1、可跟踪卫星数

这里有24颗GPS卫星沿六条轨道绕地球运行（每四颗一组），一般不会有超过12个卫星在地球的同一边，大多数GPS接收器可以追踪8-12颗卫星。

计算LAT/LONG（2维）坐标至少需要3颗卫星。

再加一颗就可以计算3维坐标。

对于一个给定的位置，GPS接收器知道在此时哪些卫星在附近，因为它不停地接收从卫星发来的更新信号。

2、并行通道

一些消费类GPS设备有2-5条并行通道接收卫星信号。

因为最多可能有12颗卫星是可见的（平均值是8），这意味着GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星束获取每颗卫星的信息。

市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息，12通道接收器的优点，包括可快速冷启动和初始化卫星的信息，而且在森林地区可以有更好的接收效果。

一般12通道接收器不需要外置天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。

3、定位时间

这是指你重启动你的GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间。

对于12通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为3～5分钟，热启动时为15～30秒，而对于2通道接收器，冷启动时大多超过15分钟，热启动时为2～5分钟。

4、定位精度

大多数GPS接收器的水平位置定位精度在10m～30m左右。

5、信号干扰

要给予你一个很好的定位