车辆跟踪及监控管理系统的设计与实现

东北大学计算中心（网络中心） 林天亮

东北大学信息科学与工程学院 别小妹

车辆跟踪及监控管理系统的设计与实现

东北大学计算中心（网络中心） 林天亮

东北大学信息科学与工程学院 别小妹

本文提出了一种SMS/GPRS自主切换技术的GPS车辆跟踪及监控管理系统。系统由车载前端、数据通信服务器、监控终端、跟踪终端组成。车载前端以GPRS方式向终端发送数据，并采用C/S模型作为GPRS通信方式取代监控中心直接接收数据的方式，将监控终端与数据通信服务器分离，使得系统具有更大的扩展空间和良好的可移植性；以SMS短消息方式接收终端的配置信息和命令，避开了防火墙的问题，使得车载前端的使用更灵活，并可在GPRS网络中断的时候代替GPRS作为车载前端和监控中心的通信链路，提高了系统的健壮性。本系统经过实际运行与测试，达到设计要求。

全球卫星定位系统；通用分组无线业务；短信息服务；微控制器；服务器

随着社会的发展，城市建设规模的扩大，车辆日益增多，车辆的安全管理和合理调度己成为一个重要的社会性问题［1］。目前，在公安、消防、交通、金融、医疗、物流等领域，对车辆进行实时监控、跟踪、调度指挥、导航定位、报警处理等需求与日俱增。

近年来由于全球定位系统［2］技术的发展，使得移动目标的实时定位成为可能，同时无线通信技术也得到了长足进展，使我们对移动目标进行远程监控调度成为可能。基于SMS/GPRS自主切换技术［3］的GPS车辆跟踪及监控管理系统就是通过对GPS定位［4］技术、GIS技术［5］、无线通信网络［6］、计算机网络等技术的集成应用，实现了对车辆的位置状态实时跟踪、报警处理、监控管理等功能。目标是实现单路跟踪和多路监控的同时进行，系统具有实时性强、可靠性高、更大的扩展空间和良好的可移植性等特点。

1. 系统总体设计

系统由车载前端、通信服务器、监控终端和跟踪终端四部分组成。车载前端包括GPS信息采集部分、GSM/GPRS传输部分和控制部分［7］，主要用于接收GPS信号、解析并提取有用信息备用，接收、回应监控/跟踪终端命令和向监控/跟踪终端发送相关信息。

通信服务器用于系统的GPRS通信方式下，包括硬件和软件，硬件为一台具有公网IP地址的电脑，软件即为服务器程序［8］。服务器负责建立车载前端和各个终端的信息交互通路，以及GPRS通信方式下命令的传递和数据的转发。

监控终端也包括硬件和软件部分，软件为监控程序，硬件为一台能接入internet的电脑，接入方式可以灵活选择：公网、内网，固定IP、动态IP，GPRS等均能适用于本系统。监控终端完成对车载前端的各种配置、命令的下达，以及数据存储、对车辆的监控和轨迹回放等工作。

跟踪终端硬件为一台带有GPRS模块的笔记本电脑，软件为跟踪程序。跟踪终端用于有跟踪需求的时候，可以与监控终端同时控制车载前端，同一时刻完成对某一选定车载前端的实时跟踪。综上所述，系统的组成结构图如图1所示。

图1 系统组成结构图

图2 车载前端硬件组成框图

2. 车载前端硬件的设计

车载前端在整个系统中占有重要地位，它承担着采集GPS信息并且向监控终端发送数据等关键任务，车载前端的稳定性、可靠性和低功耗是设计的重要指标。车载前端的硬件电路是一个以微控制器为核心，从功能需求出发加以必要的扩展构成的一个系统电路，集成了GPS接收机模块和GSM/GPRS通信模块两大模块，分别实现GPS信息的采集和数据传输功能，这两大模块由微控制器统一控制，协同工作，主要完成卫星信号的采集与处理，短消息的接收与发送，基于GPRS的数据传输等功能。前端的硬件组成如图2所示。

2.1微控制器部分

微控制器是系统的事务处理核心：完成对GSM/GPRS通信模块的初始化设置以及接收终端的命令并根据命令处理相应的事务，完成对GPS信号的接收、解析和有用信息的提取，以及根据终端要求发送定位数据；此外，微控制器还控制各种事务的处理顺序，根据需要对各个模块设置不同的优先级别。微控制器还包括了一些I/ O的功能，预留传感器信号、开关量信号、模拟量信号等的输入，可以实现报警信号触发，以及对外的输出控制。本系统采用的微控制器是Philips的P89LPC932A1，主要考虑的是它具有8kB Flash以及256字节RAM数据存储器和512字节附加片内RAM，可以满足软件代码存储空间的要求；另一方面，此款单片机具有512字节片内用户数据EEPROM存储区，可用来存放设置参数等，还具有可配置的片内振荡器，大大简化了电路的设计；4个中断优先级使各项事务处理有条不紊；此外，它还具有体积小、功耗低等优点。

2.2GPS信息采集部分

GPS模块部分主要通过GPS接收机模块（TFAG-30LP）获得经纬度、时间、速度、方向等定位信息，然后通过串口传到单片机，从而实现GPS信息的获取。TFAG-30LP模块提供了两个输出TTL电平的全双工UART接口，没有采用流量控制。本系统中只使用UART口的一根数据线TXA与微控制器相连即可取得GPS信息。GPS 模块的所有 GND脚都妥善接地，VCC 连接在 3.3V 电源上；由于车载前端有电池供电，故后备电池接口也连接在VCC上。GPS接口电路原理如图3所示。

图3 GPS接口电路原理图

特别需要注意的是，由于GPS模块直接输出TTL电平给微控制器，GPS模块和微控制器的GND端一定要可靠的连接在一起，否则微控制器接收到GPS信号后将失去判断TTL电平信号高低的标准而导致数据读取错误，甚至不能正确进入接收中断。

2.3GSM/GPRS模块通信部分

本系统车载前端微控制器与GSM/GPRS通信模块的通信是通过通用异步串行接口（UART）实现的。GSM/GPRS通信模块使用的是华为的GTM900 GSM/GPRS无线模块，车载前端通过此模块将车辆的定位信息发送至终端，同时也需通过它接收终端发来的命令。硬件设计上值得提出的是其与微控制器之间是通过串口通信的，但GTM900的串行口是RS232电平，要经过电平转换后才能实现与微控制器接口。

2.4系统电源部分

由于系统中使用了5伏和3.3伏两种电平标准的芯片，在硬件设计中必须要考虑的是电源到各个芯片的电平问题，微控制器和GPS模块的标准操作电压都是3.3伏，GSM/GPRS通信模块和串口转换部分的电平都是5伏；而输入到车载前端的车载电源电压为12V，因此在电源部分需要做电压转换工作。另外，在电源部分还进行了有效的滤波和去藕。这里用到了LM317和LM1117两个电压转换芯片，LM317为第一级电源转换电路的核心芯片，将12V直流电压转换为5V电压，LM1117为第二级电源转换电路的核心芯片，将5V电压转换为3.3V电压。

2.5预留接口部分

本系统为今后的扩展和升级预留了丰富的外部接口，其中包括车载前端的车载导航接口和报警触发、开关量/模拟量信号等的输入以及对外的输出控制接口。其中，对车载导航预留的接口直接由TFAG-30LP模块的TXA和RXA引出，经MAX232芯片进行TTL电平到232电平的转换后，送给外部接口DB9。

其他接口如报警触发、开关量/模拟量信号等的输入以及对外的输出控制等，均由微控制器的I/O口引出，微控制器上没有特殊定义或使用的I/O引脚均配置为准双向模式留用。

图4 服务器数据接收程序流程

3. 数据通信服务器软件设计

通信服务器是实现监控/跟踪终端与车载前端的数据通信的核心部件［9］，负责监听并接收车载前端发送来的信息，然后转发给特定的终端，是整个车载监控系统的数据通信中心，它在整个系统中扮演着数据交换机的角色。在本系统中，为了获得高的服务性能以及增加整个系统的监控容量，通信服务器采取数据直接转发，不作处理的策略，类似一个服务代理（Service Proxy）。

本系统采用客户机/服务器的通信方式，通信服务器软件设计为面向连接（TCP）的套接字（socket）通信的服务器端程序，负责监听并接收来自客户机（包括车载前端和监控/跟踪终端）的socket连接；建立连接以后，服务器程序在接收到数据时会分析各连接的ID，并根据该连接的状态采取相应的处理：将来自车载前端和监控/跟踪终端的连接分别放入Sender和Receiver两个链表，或者将来自Sender链表中连接的数据转发给Receiver链表中绑定的连接。服务器数据接收程序流程如图4所示。

4. 系统调试及测试

4.1各单元模块调试

（1）GPS信息采集与分析模块调试

在GPS信息采集与分析部分的调试中，主要是前端硬件、模拟串口接收GPS信息和解析GPS信息软件的调试。首先对GPS接收机模块进行调试，将模块接入电路板之后，通过预留的车载导航接口直接输出GPS信息，在PC机上通过串口调试助手进行接收。GPS接收机模块调试成功后，将微控制器接入电路，对微控制器外部中断1模拟串口接收GPS信息功能进行调试。这部分调试的重点在于模拟串口时序的控制和长时间接收数据可靠性的测试。为了检验GPS信息接收的准确性，调试过程中采用的是将数据读出后直接通过串口输出到PC上显示出来的方法。解析GPS信息软件的调试主要是对微控制器软件的调试，由于接收到的GPS信息比较杂乱，需要对其进行关键字的过滤，数据解析的准确性和效率是调试的重点，在调试中解决了由于GPS信息中方向和速度数据长度不定引起的解析错误等问题。

（2）GSM/GPRS无线网络传输模块调试

GSM/GPRS无线网络传输部分的调试主要是对模块AT命令的调试，包括用Windows超级终端对GPRS模块进行AT命令测试，模块对AT命令的响应，收发短信模式， TCP/IP数据传输等功能的测试。调试中，经过反复测试发现将短信直接转发到TE的方式实时性最高，最为便捷，但是可靠性不高，经常出现短信丢失的状况。经过多次实验和比较后，本系统最终采用了短信息先储存后通知TE的方式，在微控制器程序设计中通过即时响应串口中断接收到短信到达通知后以指定序号的方式读取短信内容，既保证了短信的可靠接收，又具有较高的实时性。

4.2系统联调

系统联调是用来确保系统的各个模块之间彼此能够正确地相互作用和传递数据，是在单元调试的基础上，按照数据流向进行的整体功能的调试。由于各单元模块调试过程中，各个模块单独运行的性能已基本稳定， 联调过程中主要针对各个模块之间的衔接会出现的问题和模块之间的影响加以测试和处理。

本系统中各个模块之间的接口设计大部分都是采用通用标准，如微控制器与GSM/GPRS通信模块之间的数据接口采用的是UART接口，服务器与前端/终端之间的通信方式是标准socket通信等，因此系统中不存在各部分之间接口衔接的问题。在联调过程中主要发现并解决了在GPRS长连接状态下， GPRS网络连接长时间没有数据通讯时，通讯链路被自动“挂起”的问题，采用通信服务器定时向客户机（包括车载前端和监控/跟踪终端）发送心跳数据的方法来保持网络连接，提高了系统的可靠性。

5. 结束语

本系统采用SMS和GPRS相结合的通信方式，充分发挥了GSM无线网络覆盖面广，SMS使用灵活、点对点传输没有网络限制的特点，以及GPRS无缝连接、传输速率高、永远在线的优势，不仅解决了在移动网络非常忙的情况下容易发生的短消息堵塞问题，同时又避开了单一GPRS方式下的防火墙、固定IP地址的需求等问题，使得整个系统的通信成本大大降低，同时实时性和可靠性也得到了较大的提高。系统经过多次反复测试和实验，各项技术指标达到设计要求，满足了用户提出的各种性能指标和特殊要求，通过了用户验收。

［1］杜彦慧.基于GIS的GPS车辆监控系统的设计与实现［D］.吉林大学，2006：1-11.

［2］Bo Fan，Supeng Leng，Kun Yang，Qiang Liu.GPS：A method for data sharing in Mobile Social Networks［C］.2014 IFIP Networking Conference， 2014：1-9.

［3］Tripathi A N，Sharma U，Simaiya D.Hardware implementation of GPRS enabled embedded server for remote access terminal［C］. 2013 Tenth International Conference on Wireless and Optical Communications Networks （WOCN），2013：1-3.

［4］张守信.GPS卫星测量定位理论与应用［M］.国防科技大学出版社，1996：5-13.

［5］Jingsong Ge，Feng Wang，Hui Deng.An Investigation on GIS Technology for Android Embedded System［C］.2013 6th International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems（ICINIS），2013：312-315.

［6］禹帆.无线通讯网络概论［M］.北京：清华大学出版社，2002：10-13.

［7］靳晶，胡盛祥，胡平，施涛.基于GPS/GPRS车载终端的研究与开发［J］.微计算机信息，2006，22（9）：284-286.

［8］Riihijarvi，Mahonen. Providing Network Connectivity for Small Applications， A Functionally Minimized Embedded Web Server［J］. IEEE Communications Magazine，2001，10（39）： 12-14.

［9］翟战强，蔡少华.基于GPRS/GPS/GIS的车辆导航于监控系统［J］.测绘通报，2004，32（2）：103-107.

The Design and Implement of Vehicle Tracking and monitoring Management System

Lin tian-liang1， Bie xiao-mei2

（1.Computing & Network Center，Northeastern University， Shenyang110819， China）
（2.College of Information Science and Engineering， Northeastern University， Shenyang110819， China）

This artical proposes a SMS/GPRS autonomous switching technology of GPS vehicle tracking and monitoring management system. This system consisted by： the front of vehicle， the server of data communication， terminal of monitoring， and the track of terminal. The front of vehicle send data to destination by the of GPRS，and use C/S model as GPRS communication instead of the center monitoring receive data directly. In this way，terminal of monitoring has separated from the server of data communication， the system has a large space to extension and has better portability； By using SMS short massage to receive the configuration information and command of terminal， it avoids the problem of firewall， and make the use of vehicle front more flexible. It also can replace the GPRS network as the center of the car front and monitoring when GPRS communication link has interrupted， this function improved the robustness of the system. Through actual operation and test， this system meet the design requirements.

GPS；GPRS；SMS；Micro controller unit；Data server

林天亮（1967—），男，辽宁大连人，学士，工程师，主要研究方向为计算机应用技术、多媒体网络教学等。

国家自然科学基金资助项目（11273001）。