■文/公安部第一研究所 綦振祿 焦勝才

基于北斗二代模塊的車輛定位報(bào)警器設(shè)計(jì)

■文/公安部第一研究所 綦振祿 焦勝才

本文介紹了一種車輛定位報(bào)警器的軟硬件設(shè)計(jì)方案，采用了國產(chǎn)北斗二代定位模塊做為衛(wèi)星定位信號接收單元，方案中考慮到車載應(yīng)用的特性，通過三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)車輛行駛狀態(tài)監(jiān)測以及車輛停駛時(shí)對車輛進(jìn)行非正常移動(dòng)監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)車輛防盜保護(hù)。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng) 車載定位

1.引言

近幾年隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代長期霸占中國市場的“GPS”導(dǎo)航系統(tǒng)，成為全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS）中四大系統(tǒng)之一，占有極其重要的地位，目前大多數(shù)模塊廠商已經(jīng)將“BD”和“GPS”都集成在一個(gè)模組內(nèi)。采用雙制式互補(bǔ)模式定位，定位速度更快、精度更高。早在2008年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)首次應(yīng)用于北京奧運(yùn)會(huì)場館安保工作中,并取得良好的應(yīng)用效果。

本文提出一種利用北斗二代模塊和GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)車輛位置定位的方案。并輔以三軸加速度傳感器做為車輛移動(dòng)探測及車輛姿態(tài)監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)車輛防盜報(bào)警和事故報(bào)警功能。

2.定位技術(shù)分析

目前我國已經(jīng)發(fā)射了35顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，理論上已經(jīng)可以覆蓋全球任意位置。按照定位系統(tǒng)算法要求，北斗接收模塊只要能同時(shí)獲得4顆以上的衛(wèi)星信號，便可以解算出當(dāng)前接收機(jī)的地理位置以及時(shí)間信息。因?yàn)檫@些算法已經(jīng)在接收模塊中實(shí)現(xiàn)了，用戶可以直接從模塊的串口得到已經(jīng)計(jì)算后的經(jīng)緯度、高度以及時(shí)間數(shù)據(jù)，軟硬件設(shè)計(jì)都十分方便。

3.硬件方案設(shè)計(jì)

3.1 北斗模塊選型

在本設(shè)計(jì)中，作者采用“北斗星通科技有限公司”的UM220-III N做為衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收模塊，該模塊能夠同時(shí)支持BD的B1和GPS的L1兩個(gè)頻點(diǎn)，即可以同時(shí)接收中國的“北斗”和美國的“GPS”兩套導(dǎo)航系統(tǒng)下發(fā)的定位信號。該模塊模塊功耗僅為120mW。體積為16x22x2.4mm，適合小型化、低功耗產(chǎn)品應(yīng)用。北斗模塊及內(nèi)部示意圖如圖1所示：

圖 1 北斗二代定位模塊-UM220-III及內(nèi)部框圖

UM220-III模塊硬件接口及其簡單，模塊與處理器之間僅需要一個(gè)UART接口，保證模塊的波特率與處理器一致即可。另外該模塊接收天線可以使用有源或無源天線，天線接口阻抗為50歐姆。

3.2 通信模塊選型

定位器接收到位置信息后，需要將該信息即時(shí)回傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，由于經(jīng)緯度位置信息的數(shù)據(jù)量很少，在此采用“SIMCom”的SIM900A無線通信模塊做為數(shù)據(jù)回傳單元，該模塊支持2頻GSM/GPRS，工作頻段為EGSM900MHz和DCS1800MHz。模塊體積僅為24x24x3mm，因模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用簡單的單片機(jī)處理器通過AT指令便可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，特別適合微型數(shù)字移動(dòng)終端應(yīng)用。模塊如圖2所示。

圖 2 GPRS模塊- SIM900A及內(nèi)部框圖

在本設(shè)計(jì)中SIM900A使用的模塊初始操作AT指令如表1所示，因模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議，可以通過擴(kuò)展AT指令直接啟用模塊的網(wǎng)絡(luò)通信功能，GPRS擴(kuò)展AT指令如表2所示：

表1 常用AT指令

表2 GPRS通信擴(kuò)展AT指令

3.3 加速度傳感器

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是面向車輛定位應(yīng)用的產(chǎn)品，因此產(chǎn)品應(yīng)該對車輛的行駛參數(shù)進(jìn)行采樣。在該方案中，通過一片三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)車輛移動(dòng)探測，當(dāng)車輛在行駛過程中并線、加減速、以及路過空洼地時(shí)產(chǎn)生各個(gè)方向的震動(dòng)，均會(huì)通過三軸加速度傳感器探測到，依此來監(jiān)測車輛的狀態(tài)，用來實(shí)現(xiàn)車輛故障報(bào)警。當(dāng)車輛長期停駛時(shí)，還可以將定位器休眠并進(jìn)入車輛防盜狀態(tài)，此時(shí)若出現(xiàn)車輛非正常移動(dòng)或震動(dòng)，由加速度傳感器探測到異常并及時(shí)開啟通信模塊向指定的接收終端或者調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息。

3.4 整體硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，設(shè)備有兩個(gè)天線，衛(wèi)星接收天線的工作頻段大約在1559~1577MHz，而GPRS通信模塊有兩個(gè)中心頻率，分別是900MHz和1800MHz。理論上這兩個(gè)天線不存在直接的干擾，但考慮到射頻信號的鄰頻寄生效用，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將兩個(gè)天線分別放置在設(shè)備的兩端，最大程度減弱相互之間的干擾。

圖3 定位器整體框圖

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件處理流程設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中需要處理的數(shù)據(jù)量相對較少，但各種邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，需要在車輛的不同狀態(tài)下，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體的用戶參數(shù)配置進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)任務(wù)，軟件采用主流程輪訓(xùn)，定時(shí)器中斷事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的機(jī)制設(shè)計(jì)。軟件流程圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

4.2 經(jīng)緯度數(shù)據(jù)提取

圖4 中斷事件觸發(fā)及主程序流程管理

無論是GPS模塊，還是現(xiàn)在的北斗模塊，當(dāng)模塊進(jìn)入工作狀態(tài)后，每隔一定的時(shí)間，都會(huì)通過串口（UART）輸出一定格式的定位信息，該定位信息是符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的ASCII數(shù)據(jù)幀，包含許多種類型的信息，每條信息類型都有一個(gè)指示其類型的前導(dǎo)字符串，例如“GPGSV”是代表這條信息包含了可見衛(wèi)星信息，其中前面2個(gè)字符“GP”表示是GPS模塊的數(shù)據(jù)包，若是雙模模塊的則是“GNGSV”，而單獨(dú)北斗的是“BDGSV”，在此作者用XXGSV代替，如表3所示，每條信息都有固定的數(shù)據(jù)格式，因?yàn)橛性S多內(nèi)容都有重復(fù)。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要只提取自己關(guān)心的那條數(shù)據(jù)即可。

表3 定位信息數(shù)據(jù)類型

在本設(shè)計(jì)中使用雙模定位模塊，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，我們只需關(guān)注“GNGGA”這條信息，這條信息總共包含了12項(xiàng)內(nèi)容。其中包含了時(shí)間信息，定位有效性信息，經(jīng)緯度地理位置信息，可見衛(wèi)星數(shù)量信息等。在本設(shè)計(jì)中采用中斷機(jī)制接收定位模塊數(shù)據(jù)，軟件流程圖如圖5-1所示。

4.3 經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送

完成定位數(shù)據(jù)提取后，下一步便是將提取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成自定義的數(shù)據(jù)協(xié)議格式，并通過GPRS回傳到指定的后臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)，由于不同的應(yīng)用場景下，后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)不同，在本文中不再進(jìn)行論述。數(shù)據(jù)回傳任務(wù)是按照設(shè)定的時(shí)間間隔，將位置信息以及其他輔助狀態(tài)信息發(fā)送到服務(wù)器，若在車輛停止期間通過加速度傳感器檢測到車輛移動(dòng)，也可以將該異常信息上報(bào)，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警功能。流程圖如圖5-2所示。

圖5-1 接收定位數(shù)據(jù)流程圖

圖5-2 發(fā)送定位信息流程圖

5.結(jié)論

本文采用北斗二代定位模塊和GPRS模塊實(shí)現(xiàn)一種車輛定位裝置，可以在車輛行駛過程中實(shí)時(shí)上傳車輛位置信息及運(yùn)行狀態(tài)。通過現(xiàn)場測量，定位精度以及定位速度均符合原模塊的技術(shù)要求。另外在定位裝置中內(nèi)置一片三軸加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛狀態(tài)，尤其當(dāng)車輛長期?？繒r(shí)，定位裝置啟用移動(dòng)監(jiān)測功能，當(dāng)檢測車輛非正常移動(dòng)時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，實(shí)際測試車輛在非正常移動(dòng)后10秒便可以在測試終端收到報(bào)警提示信息，實(shí)現(xiàn)了對車輛防盜保護(hù)。

[1]魯郁 著 北斗/GPS雙模軟件接收機(jī)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù) 電子工業(yè)出版社 2016年5月

[2](美) John D.Kraus 著 章文勛 譯 天線（第三版） 電子工業(yè)出版社 2006年3月

[3]SIM900A_Hardware Design_V1.01.PDF SIM900A 硬件設(shè)計(jì)手冊 2010年10月

[4]UM220-III_N_user_manual_Rel_Ed1.PDF北斗二代模塊數(shù)據(jù)手冊 2013年07月