高金濤，張宏鵬

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

在道路運(yùn)輸和租賃行業(yè)中，企業(yè)無法掌握工作車輛具體位置和實際使用狀態(tài)，目前普遍存在騙租、過期不還、過度使用、終端軟件維護(hù)成本高等情況對企業(yè)造成負(fù)面影響。本論文針對該行業(yè)管理難題，設(shè)計了基于GPS/GPRS技術(shù)的車輛定位控制跟蹤系統(tǒng)，使運(yùn)輸企業(yè)能夠及時了解工作車輛的位置信息，提高管理效率，降低管理成本。依靠本系統(tǒng)搭建的C/S架構(gòu)車輛信息監(jiān)控平臺和GPS車載終端，使用戶可以24 h遠(yuǎn)程掌握車輛的位置信息和運(yùn)行狀態(tài)，并可以按照要求對車輛進(jìn)行相應(yīng)的改造，實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程控制。并提出基于GPRS的嵌入式軟件遠(yuǎn)程在線升級方案，較好地解決了數(shù)量龐大并且分布范圍較廣的車載終端軟件在線升級或維護(hù)的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPS車載終端、GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、車輛監(jiān)控管理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控5大部分組成。文中主要介紹GPS車載終端的設(shè)計及實現(xiàn)方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1）GPS車載終端通過GPS模塊接收GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)送的車輛經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)信息，并通過GPRS模塊和移動運(yùn)營商的GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心建立雙向數(shù)據(jù)通道，執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)等指令，包括經(jīng)緯度計算、超速/偏航/越界等報警信號檢測、本地數(shù)據(jù)處理、接受遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、終端軟件遠(yuǎn)程更新等功能，以實現(xiàn)車輛的監(jiān)控及管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

2）車輛監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與GPS車載終端建立UDP連接，以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送及數(shù)據(jù)處理[2]。

3）車輛監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與監(jiān)控服務(wù)器建立連接，執(zhí)行數(shù)據(jù)的存儲功能。

4）遠(yuǎn)程監(jiān)控通過WEB瀏覽器訪問監(jiān)控服務(wù)器，執(zhí)行電子地圖操作、參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、與GPS車載終端進(jìn)行文字、圖片等信息交互、車輛管理、偏航路線和區(qū)域設(shè)置、信息統(tǒng)計等功能。

5）超級用戶通過登錄平臺網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，執(zhí)行終端軟件版本遠(yuǎn)程升級。

2 硬件設(shè)計

2.1 終端主要硬件選型

1）主控芯片選用ATmega128，主要優(yōu)點(diǎn)：低功耗、8位的微處理器，供電電壓為3.3 V；內(nèi)置128 kB的片內(nèi)Flash存儲器、4 kB的EEPROM存儲器和4 kB的SRAM，最大處理速度可達(dá)16 MIPS；－55～125℃的工作溫度，適合終端的正常工作條件。

2）GPS模塊采用華訊GPS OEM模塊6128U，該模塊采用SiRFIII低功耗單芯片，具有全方位的定位功能。特點(diǎn)：冷熱啟動時間短，接收機(jī)靈敏度高，定位速度快，可選擇坐標(biāo)系，2個全速TTL串口，工作溫度范圍－40～+85℃，供電電壓為3.3 V。支持外接GPS有源天線，有源天線的中心頻率[3]1 575.42 MHz。

3）GPRS模塊選用華為GTM900C模塊，工作電壓為4 V，工作溫度－20～70℃，關(guān)機(jī)漏極電流為 50 μA，符合常溫、低電壓和低功耗的設(shè)計要求。它是一款兩頻段的GSM/GPRS模塊。與現(xiàn)有的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)兼容，可通過手機(jī)對終端進(jìn)行控制操作。

2.2 硬件電路設(shè)計

由圖2可以了解遠(yuǎn)程車載監(jiān)控終端的功能劃分，主要分為主控單元、控制輸出模塊、GPS數(shù)據(jù)模塊、GPRS通信模塊、音頻處理單元和電源。文中主要介紹GPRS通信模塊和語音解碼模塊。

圖2 硬件功能框圖Fig.2 Hardware function diagram

2.2.1 GPRS通信模塊

GTM900C提供一路全雙工串口，通過AT命令與主控芯片直接進(jìn)行信息交互。同時該模塊具有兩路的音頻輸入輸出通道，可以同時進(jìn)行音頻的輸入和輸出?；谠O(shè)計的需要本設(shè)計只使用了第一路音頻輸入輸出通道。音頻輸入通道MIC與音頻信號轉(zhuǎn)換芯片相連接，用以輸入單片機(jī)中存儲的音頻信息；音頻輸出通道EAR與音頻解碼芯片相連接，傳送外部的語音信息進(jìn)行DTMF解碼[4]。

2.2.2 音頻處理電路

音頻處理采用HT9170。該芯片是綜合數(shù)字解碼器和多帶濾波器功能的雙音多頻（DTMF）接收器，把16倍的DTMF音頻解碼，高精度的轉(zhuǎn)換電容濾波器把音頻信號分離為低頻信號和高頻信號，輸出4位代碼到主控單片機(jī)，其判斷外部輸入的命令后做出相應(yīng)的動作。EST端通常為低電平，通過的RC放電使能端RT/GT保持低。當(dāng)檢測到有效音頻信號輸入時，EST變成高電平，從而使RT/GT端通過RC電路對其充電。當(dāng)RT/GT端的電壓從0上升到VTRT時，輸入信號為有效，然后經(jīng)編碼檢測器產(chǎn)生的編碼信號輸出。當(dāng)D0～D3輸出信號被完全鎖存時，DV端變成高電平。當(dāng)RT/GT端電壓從VDD下降到VTRT時，DV端變成低電平，此時D0～D3數(shù)據(jù)將一直被保持，直到接收到下一個有效信號為止。

圖3 無線模塊單元電路Fig.3 Wireless module unit circuit

圖4 DTMF解碼電路Fig.4 DTMF decoder circuit

3 終端軟件的實現(xiàn)

終端軟件采用模塊化設(shè)計，每個模塊都有一個功能，每個函數(shù)都以子程序的形式出現(xiàn)，縮短了開發(fā)時間，易于程序的修改和移植，同時，在軟件編寫時，預(yù)留了其他的軟件應(yīng)用接口，方便軟件功能升級。軟件功能框圖如圖5所示。文中主要介紹BootLoader遠(yuǎn)程升級。

圖5 軟件功能框圖Fig.5 Software function diagram

3.1 GPRS遠(yuǎn)程協(xié)議及幀格式

終端的遠(yuǎn)程升級主要以GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，GPRS網(wǎng)絡(luò)帶寬較窄，延遲較大，不適于采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信[5]。而采用UDP協(xié)議無連接方式傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，流量小，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。缺點(diǎn)是沒有確認(rèn)機(jī)制，有可能引起丟包，根據(jù)實際經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，采用UDP方式傳輸，丟包率能控制在1%以下，因此可通過在傳輸協(xié)議上實現(xiàn)類似TCP的包確認(rèn)和重傳機(jī)制，從而提高通信效率及可靠性。

1）終端遠(yuǎn)程升級請求

平臺發(fā)送升級請求，終端的傳輸層接收到平臺下發(fā)的升級指令判斷是否進(jìn)行升級，做出相應(yīng)的回答。終端遠(yuǎn)程升級請求的幀格式如下：

①升級標(biāo)識：01h——強(qiáng)制升級。無需版本號比較，直接強(qiáng)制升級為目標(biāo)版本；02h——邀請升級。終端可根據(jù)本號規(guī)則判斷確定要不要升級。

②升級類型：01h——操作系統(tǒng)；02h——應(yīng)用程序。

③目標(biāo)版本信息：需要升級的版本信息。

④MD5值：整個升級數(shù)據(jù)MD5值，下載完以此來校驗數(shù)據(jù)的完整性。

⑤數(shù)據(jù)量大小：指示整個升級數(shù)據(jù)的大小。

⑥包長：用來指示升級包大小。

2）遠(yuǎn)程升級應(yīng)答

終端收到平臺下發(fā)的遠(yuǎn)程升級指令后，應(yīng)給平臺相應(yīng)的回復(fù)。終端回復(fù)內(nèi)容:

①01h——操作成功，同意升級；

②02h——操作失敗，有參數(shù)異常；

③03h——拒絕升級。

3）遠(yuǎn)程升級數(shù)據(jù)下載

在遠(yuǎn)程升級命令下發(fā)前，遠(yuǎn)程升級的數(shù)據(jù)文件應(yīng)已經(jīng)準(zhǔn)備好。在移動終端確認(rèn)下載后，會采用下載模式來獲取遠(yuǎn)程升級數(shù)據(jù)。

①D_LEN：升級數(shù)據(jù)長度；

②DATA：升級數(shù)據(jù)內(nèi)容；

③Update_type（1）：01h——操作系統(tǒng)；02h——應(yīng)用程序；

④Target_ver（L）：需要升級到的目標(biāo)版本信息。

3.2 遠(yuǎn)程升級數(shù)據(jù)傳輸模式

針對于平臺要進(jìn)行大數(shù)據(jù)下載，采取建立下載鏈路的方式進(jìn)行批量數(shù)據(jù)傳輸。平臺發(fā)起下載邀請，然后終端建立起與平臺的臨時鏈路，按照分包批量傳遞機(jī)制從平臺批量地“取”數(shù)據(jù)，傳輸完畢后拆鏈。具體過程如下：

①下載數(shù)據(jù)索取。終端在核對了數(shù)據(jù)總量、包尺寸等之前平臺發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，若一切正常，發(fā)送下載數(shù)據(jù)包索取請求，等待平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。

②索取數(shù)據(jù)應(yīng)答。平臺在接收終端①后，按照順序向終端發(fā)送數(shù)據(jù)包。

③按照索取的起止順序下發(fā)數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行排序。

④起止數(shù)據(jù)包都發(fā)完后，馬上下發(fā)查詢，查詢終端是否全部接收到。

⑤接收結(jié)果報告。在③過程中若隔了10 s仍然沒有數(shù)據(jù)到來，執(zhí)行此過程。

⑥根據(jù)⑤發(fā)送報告，平臺選擇重新傳送或者續(xù)傳。

⑦下載拆鏈請求。若⑤返回報告全部接收完畢或平臺服務(wù)器出現(xiàn)異常，終端發(fā)送請求拆鏈。

⑧下載拆鏈應(yīng)答。平臺收到⑦后，拆掉鏈路并回復(fù)，一次下載過程結(jié)束。

如果在傳輸過程中遇到不可抗拒因素是傳輸中斷，協(xié)議還支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，當(dāng)終端重新工作時，會向平臺發(fā)送上次傳輸?shù)淖詈笠粋€包得流水號，平臺會根據(jù)流水號繼續(xù)傳遞下一個流水號的數(shù)據(jù)包，重復(fù)以上過程。

3.3 IAP升級

ATmega128的存儲器分為兩個部分，用戶程序區(qū)和BootLoader。用戶程序區(qū)包含了應(yīng)用程序的代碼，而BootLoader包含了自編程的代碼。另外一種劃分應(yīng)用程序區(qū)和BootLoader的方法也是將Flash劃分為兩個固定大小的區(qū)域。一部分是讀寫同步區(qū)域（RWW），另一部分是讀寫分時區(qū)域（NRWW）。NRWW和RWW之間不同的地方是當(dāng)RWW升級的時候，NRWW可以被訪問，但當(dāng)升級NRWW時，RWW不可以被訪問。Flash被按頁分配，每頁包含32、62或128字。應(yīng)用程序部分包含應(yīng)用程序的主代碼，可以通過引導(dǎo)程序?qū)ζ溥M(jìn)行改寫；引導(dǎo)程序部分包含實際自編譯的代碼自編譯部分在引導(dǎo)程序部分被執(zhí)行?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)直接以上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而對主程序進(jìn)行更新。引導(dǎo)程序的大小通過熔絲位進(jìn)行設(shè)定。

文中設(shè)定 BootLoader的起始地址為 0xFC00，大小為1 024個字節(jié)。終端的頁寫入過程如圖6所示。終端接收到的每一個數(shù)據(jù)包后，都會先存入EEPROM內(nèi)，等待下接收一個數(shù)據(jù)包。在進(jìn)行程序更新時，每頁寫入新的數(shù)據(jù)之前，必須將這頁原有的數(shù)據(jù)擦除。向頁寫入數(shù)據(jù)時，首先必須先將數(shù)據(jù)寫入RAM頁緩沖區(qū)中，臨時保存。緩沖區(qū)被一字一字填滿后，再將緩沖區(qū)的內(nèi)容按頁復(fù)制到Flash，完成應(yīng)用程序區(qū)的程序更新。

圖6 程序更新流程圖Fig.6 Flow chart of program updates

4 結(jié)束語

文中介紹了基于GPS/GPRS的車輛監(jiān)控終端的一種實現(xiàn)設(shè)計方案，給出了詳細(xì)的軟件及硬件組成和設(shè)計實現(xiàn)，并針對數(shù)量龐大并且分布范圍較廣的車載終端軟件在線升級或維護(hù)的問題，提出了一種GPRS的多點(diǎn)遠(yuǎn)程在線升級方案。經(jīng)多次試驗效果良好，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于交通指揮系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)、城市汽車租賃管理系統(tǒng)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

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