基于北斗二代模块的车辆定位报警器设计

■文/公安部第一研究所 綦振禄 焦胜才

基于北斗二代模块的车辆定位报警器设计

■文/公安部第一研究所 綦振禄 焦胜才

本文介绍了一种车辆定位报警器的软硬件设计方案，采用了国产北斗二代定位模块做为卫星定位信号接收单元，方案中考虑到车载应用的特性，通过三轴加速度传感器实现车辆行驶状态监测以及车辆停驶时对车辆进行非正常移动监测，从而实现车辆防盗保护。

北斗导航系统 车载定位

1.引言

近几年随着我国北斗卫星导航系统技术的发展，北斗二代导航系统已经逐步取代长期霸占中国市场的“GPS”导航系统，成为全球导航系统（GNSS）中四大系统之一，占有极其重要的地位，目前大多数模块厂商已经将“BD”和“GPS”都集成在一个模组内。采用双制式互补模式定位，定位速度更快、精度更高。早在2008年，北斗导航系统首次应用于北京奥运会场馆安保工作中,并取得良好的应用效果。

本文提出一种利用北斗二代模块和GPRS模块来实现车辆位置定位的方案。并辅以三轴加速度传感器做为车辆移动探测及车辆姿态监测,实现车辆防盗报警和事故报警功能。

2.定位技术分析

目前我国已经发射了35颗北斗导航卫星，理论上已经可以覆盖全球任意位置。按照定位系统算法要求，北斗接收模块只要能同时获得4颗以上的卫星信号，便可以解算出当前接收机的地理位置以及时间信息。因为这些算法已经在接收模块中实现了，用户可以直接从模块的串口得到已经计算后的经纬度、高度以及时间数据，软硬件设计都十分方便。

3.硬件方案设计

3.1 北斗模块选型

在本设计中，作者采用“北斗星通科技有限公司”的UM220-III N做为卫星数据接收模块，该模块能够同时支持BD的B1和GPS的L1两个频点，即可以同时接收中国的“北斗”和美国的“GPS”两套导航系统下发的定位信号。该模块模块功耗仅为120mW。体积为16x22x2.4mm，适合小型化、低功耗产品应用。北斗模块及内部示意图如图1所示：

图 1 北斗二代定位模块-UM220-III及内部框图

UM220-III模块硬件接口及其简单，模块与处理器之间仅需要一个UART接口，保证模块的波特率与处理器一致即可。另外该模块接收天线可以使用有源或无源天线，天线接口阻抗为50欧姆。

3.2 通信模块选型

定位器接收到位置信息后，需要将该信息即时回传给后台监控系统，由于经纬度位置信息的数据量很少，在此采用“SIMCom”的SIM900A无线通信模块做为数据回传单元，该模块支持2频GSM/GPRS，工作频段为EGSM900MHz和DCS1800MHz。模块体积仅为24x24x3mm，因模块内部集成了TCP/IP协议栈，使用简单的单片机处理器通过AT指令便可以实现无线网络数据收发任务，特别适合微型数字移动终端应用。模块如图2所示。

图 2 GPRS模块- SIM900A及内部框图

在本设计中SIM900A使用的模块初始操作AT指令如表1所示，因模块内部集成了TCP/IP协议，可以通过扩展AT指令直接启用模块的网络通信功能，GPRS扩展AT指令如表2所示：

表1 常用AT指令

表2 GPRS通信扩展AT指令

3.3 加速度传感器

因为本设计是面向车辆定位应用的产品，因此产品应该对车辆的行驶参数进行采样。在该方案中，通过一片三轴加速度传感器实现车辆移动探测，当车辆在行驶过程中并线、加减速、以及路过空洼地时产生各个方向的震动，均会通过三轴加速度传感器探测到，依此来监测车辆的状态，用来实现车辆故障报警。当车辆长期停驶时，还可以将定位器休眠并进入车辆防盗状态，此时若出现车辆非正常移动或震动，由加速度传感器探测到异常并及时开启通信模块向指定的接收终端或者调度系统发送报警信息。

3.4 整体硬件设计

如图3所示，设备有两个天线，卫星接收天线的工作频段大约在1559~1577MHz，而GPRS通信模块有两个中心频率，分别是900MHz和1800MHz。理论上这两个天线不存在直接的干扰，但考虑到射频信号的邻频寄生效用，因此在结构设计中将两个天线分别放置在设备的两端，最大程度减弱相互之间的干扰。

图3 定位器整体框图

4.软件设计

4.1 软件处理流程设计

该设计中需要处理的数据量相对较少，但各种逻辑关系比较复杂，需要在车辆的不同状态下，采集相应的数据，并根据具体的用户参数配置进行数据上报任务，软件采用主流程轮训，定时器中断事件触发驱动的机制设计。软件流程图设计如图4所示。

4.2 经纬度数据提取

图4 中断事件触发及主程序流程管理

无论是GPS模块，还是现在的北斗模块，当模块进入工作状态后，每隔一定的时间，都会通过串口（UART）输出一定格式的定位信息，该定位信息是符合标准协议的ASCII数据帧，包含许多种类型的信息，每条信息类型都有一个指示其类型的前导字符串，例如“GPGSV”是代表这条信息包含了可见卫星信息，其中前面2个字符“GP”表示是GPS模块的数据包，若是双模模块的则是“GNGSV”，而单独北斗的是“BDGSV”，在此作者用XXGSV代替，如表3所示，每条信息都有固定的数据格式，因为有许多内容都有重复。设计时可以根据实际需要只提取自己关心的那条数据即可。

表3 定位信息数据类型

在本设计中使用双模定位模块，根据实际应用需要，我们只需关注“GNGGA”这条信息，这条信息总共包含了12项内容。其中包含了时间信息，定位有效性信息，经纬度地理位置信息，可见卫星数量信息等。在本设计中采用中断机制接收定位模块数据，软件流程图如图5-1所示。

4.3 经纬度数据发送

完成定位数据提取后，下一步便是将提取的数据转换成自定义的数据协议格式，并通过GPRS回传到指定的后台服务器系统，由于不同的应用场景下，后台服务系统不同，在本文中不再进行论述。数据回传任务是按照设定的时间间隔，将位置信息以及其他辅助状态信息发送到服务器，若在车辆停止期间通过加速度传感器检测到车辆移动，也可以将该异常信息上报，实现防盗报警功能。流程图如图5-2所示。

图5-1 接收定位数据流程图

图5-2 发送定位信息流程图

5.结论

本文采用北斗二代定位模块和GPRS模块实现一种车辆定位装置，可以在车辆行驶过程中实时上传车辆位置信息及运行状态。通过现场测量，定位精度以及定位速度均符合原模块的技术要求。另外在定位装置中内置一片三轴加速度传感器，实时监测车辆状态，尤其当车辆长期停靠时，定位装置启用移动监测功能，当检测车辆非正常移动时，能够及时发出报警信息，实际测试车辆在非正常移动后10秒便可以在测试终端收到报警提示信息，实现了对车辆防盗保护。

[1]鲁郁 著 北斗/GPS双模软件接收机原理与实现技术 电子工业出版社 2016年5月

[2](美) John D.Kraus 著 章文勋 译 天线（第三版） 电子工业出版社 2006年3月

[3]SIM900A_Hardware Design_V1.01.PDF SIM900A 硬件设计手册 2010年10月

[4]UM220-III_N_user_manual_Rel_Ed1.PDF北斗二代模块数据手册 2013年07月