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摘 要：为提高城市车辆管理水平，利用GPS，GPRS和C8051F系列单片机构建车载监控终端系统.根据车辆状态信息采集情况设计控制器模块、GPS接收模块、GPRS无线通信模块；采用C语言对车载监控终端进行软件开发，其功能包括信令和GPS数据的接收、处理与传输，GPRS模块的数据传输与通信，I/O口信号采集与控制．该系统可应用于智能交通、物流管理及特种车辆监控调度等方面.
关键词：车载监控终端系统； C8051F； GPS； GPRS
中图分类号：TP368.1； U495； P228.4； TN929.5 文献标志码：A
0 引 言
随着无线通信技术、地理信息技术和GPS技术的发展以及当前社会经济发展的需要，车载监控系统已在智能交通、物流管理及特种车辆的监控调度等方面得到广泛应用，并且带来可观的经济效益和社会效益.本文对车载监控系统中的车载终端部分进行具体研究及设计.
1 系统结构组成
车载监控系统由监控中心、通信网络和车载终端3部分组成，见图1.
2 车载监控终端工作原理
车载监控终端通过卫星接收天线收到卫星信号自动定位后，可通过内置GPRS模块定时以短信或TCP链路的方式将位置信息发送至监控中心，中心接到信息后，提取出位置信息，实时将车辆的经度、纬度、速度和状态等信息显示在电子地图上.监控中心也可以通过GPRS网络，以短信或TCP链路的方式向车载终端发送控制指令，车载终端根据接收到的指令，将接收到的GPS信息以及采集到的当前车辆状态信息通过短信或TCP链路的方式向总控中心进行传送.这样，监控中心可以通过设置越界点监控、轨迹回放、超速报警、区域报警、开/关车门报警、远程监听和控制等对车辆进行有效监控.
3 车载监控终端硬件设计
车载监控终端主要由控制器模块、GPS接收模块、GPRS无线通信模块3部分组成，其硬件系统结构见图2.
3.1 控制器模块
采用美国CYGNAL公司的C8051F系列单片机.该单片机是集成在1块芯片上的混合信号系统级单片机，具有强大的控制功能：有64位I/O口线，所有口线均可编程为弱上拉或推挽输出电路；丰富的串行接口、22个中断源、可靠的安全机制以及其中部分可作为数据存储器用的64 KB Flash存储器.同时，片内可有多达4KB的RAM存储器.［1］
利用10个输入端口和6个输出端口对车辆进行信息采集和控制，并加入抗干扰功能；可记录车辆行驶里程数，并对里程因数进行设定；具有一键报警功能，司机可在紧急情况下按键报警；可对车内电池电量进行检测；采用看门狗电路，保障控制器的正常运行；采用硬串口和GPS以及GPRS进行通信，通过控制器端口置位控制串口驱动芯片，从而实现GPS和GPRS串口的复用；预留与外部通信的串口部分；引出JTAG串行接口——全速、非侵入式的系统调试接口（片内），通过该接口能对控制器内部Flash存储器进行系统编程，并可与片内调试支持电路通信.
3.2 GPS接收模块
用能快速接收和高效处理信号的SiRF star III GPS接收模块；频率为L1(1 575.42 MHz)，伪距定位为1.023 MHz；具有20个卫星通道，最快热启动为1 s，重新捕获为0.1 s；定位最大高度为18 000 m，最快速度为515 m/s，最快加速度为4 g；最大定位数据更新速率为1 Hz，SiRF star III具有2个串口，本设计中GPS模块通过串口和控制器通信.波特率选择范围为4 800～115 200 b/s，数据位选择8位，停止位选择1位，无校验位.
3.3 GPRS无线通信模块
GPRS是在现有GSM网络上开通的新型分组数据传输技术，所采用的分组交换技术，相对于原来GSM以拨号接入的电路交换传送方式，具有“永远在线”、“自如切换”和“高速传送”等优点，能全面提高移动数据通信服务，内容更丰富、功能更强大.［2］这里选用SIMCOM公司的SIM300C GPRS模块，它内嵌TCP/IP协议，使用起来更为方便，可大大缩短开发周期.
4 车载监控终端软件设计
编程语言采用C语言开发车载监控终端软件.该软件编程实现的功能包括：信令的接收、处理与传输，GPS数据的接收处理与传输，GPRS模块的数据传输与通信，I/O口信号采集与控制.
4.1 程序流程
车辆发动之后，系统上电，首先进行系统初始化，然后按照流程示意图执行程序，见图3.
4.2 GPS信息处理
GPS定位信息提取采用NMEA—0183协议中的RMC.目前，根据所测量的车辆运行情况和GPRS上网套餐资费标准，可以将采集间隔定为车辆运行时30 s，静止时3 min，可统计出1个月的流量约为10 MB.移动GPRS的5元套餐包含10 MB的流量，超过包含流量后的流量费标准为0.01元/KB，费用基本合理.当然，根据不同行业的不同应用，可以对上述2个时间间隔进行不同的设置，以符合实际工作需要.
GPS中RMC显示如下语句：
$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,,,A*50
其中校验值(*后面的字符)为$和*之间每个字符对应的十六进制数（包括逗号在内）异或的结果.在软件编程中以“$”，“*”和“，”为标志，将接收到的GPS信息的各个字段数据提取出来.
在本程序GPS初始化设置中，通过串口将波特率设置为9 600 b/s，数据位选择8位，停止位选择1位，无校验位.设置命令为$PSRF100,1,9600,8,1,0*0D＜CR＞＜LF＞
关闭GPS的GGA，GLL，GSA，GSV，VTG，MSS，ZDA等消息的设置命令如下：
关闭GGA $PSRF103,00,00,00,01*24
＜CR＞＜LF＞
关闭GLL $PSRF103,01,00,00,01*25
＜CR＞＜LF＞
关闭GSA $PSRF103,02,00,00,01*26
＜CR＞＜LF＞
关闭GSV $PSRF103,03,00,00,01*27
＜CR＞＜LF＞
关闭VTG $PSRF103,05,00,00,01*21
＜CR＞＜LF＞
关闭MSS $PSRF103,06,00,00,01*22
＜CR＞＜LF＞
关闭ZDA $PSRF103,08,00,00,01*2C
＜CR＞＜LF＞
设置RMC每30 s接收1次 $PSRF103,04,00,30,01*23＜CR＞＜LF＞
4.3 GPRS信息处理
采用TCP/IP协议或短消息上传GPS以及车辆状态信息，TCP/IP协议具体的连接过程及AT命令见表1.
设计中采用短消息方式接收监控中心发送的控制命令，通过串口中断接收到的信息判断是否有新信息到达.比较常用的短消息命令有：读短消息的命令为“AT+CMGR=X”，X为数字，表示短消息的索引号；发送端消息的命令为“AT+CMGS=X”（X位PDU串的长度，从PDUType开始计算）回车之后发送PDU编码；删除SIM卡短消息的命令为“AT+CMGD=X”，X为数字，表示短消息的索引号.
PDU Mode被所有手机SIM卡支持，可以使用任何字符集，这也是默认的编码方式.PDU字符串由0～9，A～Z，a～z等数字、字母和标点符号等组成.PDU字符串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其他信息，如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等.发送和接收的PDU串结构不完全相同.例如：向13524588124发送1条SMS，消息内容为：“Hello!”.发送的PDU字符串为0891683108200105F011000D91683125548821F
400000006C8329BFD0E01，具体分析见表2.
在PDU Mode中，可以采用3种编码方式对发送的内容进行编码，它们是7-bit，8-bit和UCS2编码.7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，它将1串7-bit的字符(最高位为0)编码成8-bit的数据，每8个字符可“压缩”成7个；8-bit编码通常用于发送数据消息，比如图片和铃声等；而UCS2编码用于发送Unicode字符.在这3种编码方式下，PDU串的用户信息(TP-UD)最大容量(可以发送的短消息最大字符数)分别为160，140和70.这里，将1个英文字母、1个汉字和1个数据字节都视为1个字符. 需要注意的是，PDU串的用户信息长度(TP-UDL)在各种编码方式下意义有所不同.7-bit编码时，指原始短消息的字符个数，而不是编码后的字节数；8-bit编码时，就是字节数；UCS2编码时，也是字节数，但等于原始短消息字符数的2倍.
在本设计中所传送的GPS信息和车辆信息为英文字母和数字格式，所接收的短消息控制命令也采用英文字母方式.如对英文短信“Hello!”进行的编码见图4.将源串每8个字符分为1组(该例中不满8个)进行编码，在组内字符间压缩，但每组之间没有联系.解码的过程则与之相反.
5 结束语
实际测试证明，本车载监控终端系统可以较好地完成终端定位、报警、车辆状态采集和控制等功能，具有实时监控、系统覆盖面广、通信可靠等特点.
参考文献：
［1］ 李刚, 林凌. 与8051兼容的高性能、高速单片机—C8051Fxxx［M］. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.
［2］ 郭梯云, 邬国扬, 李建东. 移动通信［M］. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2000.
(编辑 廖粤新)
关键词：车载监控终端系统； C8051F； GPS； GPRS
中图分类号：TP368.1； U495； P228.4； TN929.5 文献标志码：A
0 引 言
随着无线通信技术、地理信息技术和GPS技术的发展以及当前社会经济发展的需要，车载监控系统已在智能交通、物流管理及特种车辆的监控调度等方面得到广泛应用，并且带来可观的经济效益和社会效益.本文对车载监控系统中的车载终端部分进行具体研究及设计.
1 系统结构组成
车载监控系统由监控中心、通信网络和车载终端3部分组成，见图1.
2 车载监控终端工作原理
车载监控终端通过卫星接收天线收到卫星信号自动定位后，可通过内置GPRS模块定时以短信或TCP链路的方式将位置信息发送至监控中心，中心接到信息后，提取出位置信息，实时将车辆的经度、纬度、速度和状态等信息显示在电子地图上.监控中心也可以通过GPRS网络，以短信或TCP链路的方式向车载终端发送控制指令，车载终端根据接收到的指令，将接收到的GPS信息以及采集到的当前车辆状态信息通过短信或TCP链路的方式向总控中心进行传送.这样，监控中心可以通过设置越界点监控、轨迹回放、超速报警、区域报警、开/关车门报警、远程监听和控制等对车辆进行有效监控.
3 车载监控终端硬件设计
车载监控终端主要由控制器模块、GPS接收模块、GPRS无线通信模块3部分组成，其硬件系统结构见图2.
3.1 控制器模块
采用美国CYGNAL公司的C8051F系列单片机.该单片机是集成在1块芯片上的混合信号系统级单片机，具有强大的控制功能：有64位I/O口线，所有口线均可编程为弱上拉或推挽输出电路；丰富的串行接口、22个中断源、可靠的安全机制以及其中部分可作为数据存储器用的64 KB Flash存储器.同时，片内可有多达4KB的RAM存储器.［1］
利用10个输入端口和6个输出端口对车辆进行信息采集和控制，并加入抗干扰功能；可记录车辆行驶里程数，并对里程因数进行设定；具有一键报警功能，司机可在紧急情况下按键报警；可对车内电池电量进行检测；采用看门狗电路，保障控制器的正常运行；采用硬串口和GPS以及GPRS进行通信，通过控制器端口置位控制串口驱动芯片，从而实现GPS和GPRS串口的复用；预留与外部通信的串口部分；引出JTAG串行接口——全速、非侵入式的系统调试接口（片内），通过该接口能对控制器内部Flash存储器进行系统编程，并可与片内调试支持电路通信.
3.2 GPS接收模块
用能快速接收和高效处理信号的SiRF star III GPS接收模块；频率为L1(1 575.42 MHz)，伪距定位为1.023 MHz；具有20个卫星通道，最快热启动为1 s，重新捕获为0.1 s；定位最大高度为18 000 m，最快速度为515 m/s，最快加速度为4 g；最大定位数据更新速率为1 Hz，SiRF star III具有2个串口，本设计中GPS模块通过串口和控制器通信.波特率选择范围为4 800～115 200 b/s，数据位选择8位，停止位选择1位，无校验位.
3.3 GPRS无线通信模块
GPRS是在现有GSM网络上开通的新型分组数据传输技术，所采用的分组交换技术，相对于原来GSM以拨号接入的电路交换传送方式，具有“永远在线”、“自如切换”和“高速传送”等优点，能全面提高移动数据通信服务，内容更丰富、功能更强大.［2］这里选用SIMCOM公司的SIM300C GPRS模块，它内嵌TCP/IP协议，使用起来更为方便，可大大缩短开发周期.
4 车载监控终端软件设计
编程语言采用C语言开发车载监控终端软件.该软件编程实现的功能包括：信令的接收、处理与传输，GPS数据的接收处理与传输，GPRS模块的数据传输与通信，I/O口信号采集与控制.
4.1 程序流程
车辆发动之后，系统上电，首先进行系统初始化，然后按照流程示意图执行程序，见图3.
4.2 GPS信息处理
GPS定位信息提取采用NMEA—0183协议中的RMC.目前，根据所测量的车辆运行情况和GPRS上网套餐资费标准，可以将采集间隔定为车辆运行时30 s，静止时3 min，可统计出1个月的流量约为10 MB.移动GPRS的5元套餐包含10 MB的流量，超过包含流量后的流量费标准为0.01元/KB，费用基本合理.当然，根据不同行业的不同应用，可以对上述2个时间间隔进行不同的设置，以符合实际工作需要.
GPS中RMC显示如下语句：
$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,,,A*50
其中校验值(*后面的字符)为$和*之间每个字符对应的十六进制数（包括逗号在内）异或的结果.在软件编程中以“$”，“*”和“，”为标志，将接收到的GPS信息的各个字段数据提取出来.
在本程序GPS初始化设置中，通过串口将波特率设置为9 600 b/s，数据位选择8位，停止位选择1位，无校验位.设置命令为$PSRF100,1,9600,8,1,0*0D＜CR＞＜LF＞
关闭GPS的GGA，GLL，GSA，GSV，VTG，MSS，ZDA等消息的设置命令如下：
关闭GGA $PSRF103,00,00,00,01*24
＜CR＞＜LF＞
关闭GLL $PSRF103,01,00,00,01*25
＜CR＞＜LF＞
关闭GSA $PSRF103,02,00,00,01*26
＜CR＞＜LF＞
关闭GSV $PSRF103,03,00,00,01*27
＜CR＞＜LF＞
关闭VTG $PSRF103,05,00,00,01*21
＜CR＞＜LF＞
关闭MSS $PSRF103,06,00,00,01*22
＜CR＞＜LF＞
关闭ZDA $PSRF103,08,00,00,01*2C
＜CR＞＜LF＞
设置RMC每30 s接收1次 $PSRF103,04,00,30,01*23＜CR＞＜LF＞
4.3 GPRS信息处理
采用TCP/IP协议或短消息上传GPS以及车辆状态信息，TCP/IP协议具体的连接过程及AT命令见表1.
设计中采用短消息方式接收监控中心发送的控制命令，通过串口中断接收到的信息判断是否有新信息到达.比较常用的短消息命令有：读短消息的命令为“AT+CMGR=X”，X为数字，表示短消息的索引号；发送端消息的命令为“AT+CMGS=X”（X位PDU串的长度，从PDUType开始计算）回车之后发送PDU编码；删除SIM卡短消息的命令为“AT+CMGD=X”，X为数字，表示短消息的索引号.
PDU Mode被所有手机SIM卡支持，可以使用任何字符集，这也是默认的编码方式.PDU字符串由0～9，A～Z，a～z等数字、字母和标点符号等组成.PDU字符串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其他信息，如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等.发送和接收的PDU串结构不完全相同.例如：向13524588124发送1条SMS，消息内容为：“Hello!”.发送的PDU字符串为0891683108200105F011000D91683125548821F
400000006C8329BFD0E01，具体分析见表2.
在PDU Mode中，可以采用3种编码方式对发送的内容进行编码，它们是7-bit，8-bit和UCS2编码.7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，它将1串7-bit的字符(最高位为0)编码成8-bit的数据，每8个字符可“压缩”成7个；8-bit编码通常用于发送数据消息，比如图片和铃声等；而UCS2编码用于发送Unicode字符.在这3种编码方式下，PDU串的用户信息(TP-UD)最大容量(可以发送的短消息最大字符数)分别为160，140和70.这里，将1个英文字母、1个汉字和1个数据字节都视为1个字符. 需要注意的是，PDU串的用户信息长度(TP-UDL)在各种编码方式下意义有所不同.7-bit编码时，指原始短消息的字符个数，而不是编码后的字节数；8-bit编码时，就是字节数；UCS2编码时，也是字节数，但等于原始短消息字符数的2倍.
在本设计中所传送的GPS信息和车辆信息为英文字母和数字格式，所接收的短消息控制命令也采用英文字母方式.如对英文短信“Hello!”进行的编码见图4.将源串每8个字符分为1组(该例中不满8个)进行编码，在组内字符间压缩，但每组之间没有联系.解码的过程则与之相反.
5 结束语
实际测试证明，本车载监控终端系统可以较好地完成终端定位、报警、车辆状态采集和控制等功能，具有实时监控、系统覆盖面广、通信可靠等特点.
参考文献：
［1］ 李刚, 林凌. 与8051兼容的高性能、高速单片机—C8051Fxxx［M］. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.
［2］ 郭梯云, 邬国扬, 李建东. 移动通信［M］. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2000.
(编辑 廖粤新)