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基于GPS / GSM / GPRS技术和智能手机应用的车辆跟踪系统设计与实现

SeokJu Lee, Girma Tewolde, Jaerock Kwon

Electrical and Computer Engineering Kettering University

Kettering University Flint, MI, USA

{lee7704, gtewolde, jkwon}@kettering.edu

摘要 - 设计并实现了一个高效的车辆跟踪系统，用于随时追踪任何装备车辆从任何位置的移动。所提出的系统充分利用了将智能手机应用程序与微控制器相结合的流行技术。与其他人相比，这将很容易制作并且便宜。设计的车载设备使用全球定位系统（GPS）和全球移动通信系统/通用分组无线业务（GSM / GPRS）技术工作，该技术是用于车辆跟踪的最常见方式之一。该设备嵌入在车辆的位置将被确定和实时跟踪。微控制器用于控制GPS和GSM / GPRS模块。车辆跟踪系统使用GPS模块以定期的时间间隔获取地理坐标。 GSM / GPRS模块用于将车辆位置传输和更新到数据库。智能手机应用程序也开发用于连续监测车辆位置。 Google Maps API用于在智能手机应用程序的地图上显示车辆。因此，用户将能够使用智能手机应用程序按需连续监测移动车辆，并确定车辆到达给定目的地的估计距离和时间。为了展示该系统的可行性和有效性，本文提出了车辆跟踪系统的实验结果和一些实际应用经验。

关键词 - 车辆跟踪;微控制器; Google Maps API; 智能手机应用; GPS / GSM / GPRS技术;

1.引言

车辆跟踪系统首先是为航运业实施的，因为人们想知道每辆车在任何时间的位置。 然而，现在随着技术的快速发展，自动车辆跟踪系统正在以各种方式实时跟踪和显示车辆位置。 本文提出了一种使用GPS / GSM / GPRS技术和智能手机应用的车辆跟踪系统，为用户提供更好的服务和成本效益的解决方案。

根据图1所示的统计数据，我们可以看到，全球智能手机拥有量正在加速增长。 因此，智能手机用户现在比普通手机用户更普遍[1]。 随着智能手机越来越为人们所熟悉并在日常生活中找到用处，它们对社会的影响力不断增加。 智能手机使用量的这种加速增长的主要驱动力是大量各种应用的可用性，以满足广泛用户的需求。 在我们的项目中，我们开发了智能手机应用程序以及车载追踪设备。 这两个部分一起工作，为用户提供最便利的实时追踪车辆位置。

图1. 2011-2012年手机拥有量的变化。 智能手机用户数量从2011年到2012年增长了11％。[1]

车辆跟踪是所有车队管理系统中最基本功能的先决条件。 车队管理是公司运输车队的管理。 车队管理系统旨在通过识别道路上的主要障碍物并在地图上跟踪车队的实时位置来提高行业的质量和效率[2]，[3]。 大多数车辆跟踪系统都是使用GPS / GSM技术设计的[4]。 在车辆跟踪系统中，车辆位置是最重要的组成部分之一。 使用GPS技术可以提供地球上任何地点的位置和时间信息[5]。

对于无线数据传输，通常使用GSM和SMS技术。 通过GSM网络和GSM调制解调器的SMS技术为用户提供车辆位置信息[6]，[7]。 SMS技术的使用已经变得流行，因为它不需要太多成本。 它是方便和可访问的高可靠性数据传输和接收方式[8]。 所提出的车辆追踪系统不是使用SMS，而是使用智能手机应用追踪和监控从微控制器控制的车载追踪设备获得的车辆位置。 车辆位置会自动放置在Google地图上，这样可以更轻松地跟踪车辆并为用户提供更准确的车辆位置信息。

车辆跟踪系统的基本目的是追踪特定的目标车辆或其他物体。 跟踪装置能够传递关于车辆的当前位置及其速度等的信息。大多数这样的跟踪系统由通常安装在车内的电子装置组成，并且可以用于跟踪摩托车，公共汽车和火车。 本文提出的车辆跟踪系统具有以下特点：

bull;使用GPS模块实时获取车载设备的车辆地理坐标和车辆唯一ID

bull;使用GSM / GPRS模块在指定的时间间隔后将车辆的位置信息和车辆ID传输到网络服务器

bull;数据库旨在存储和管理收到的车辆的位置信息

bull;无论何时用户请求车辆位置，都可以从数据库访问并使用智能手机应用程序实时监控谷歌地图

2. 相关作品

车辆跟踪系统在全球范围内广泛应用于车辆定位跟踪系统，车辆防盗跟踪系统，车队管理系统和智能交通系统（ITS）等领域。

2.1公交车跟踪系统

Lau [9]在马来西亚吉隆坡UCSI大学提出了简单的总线跟踪系统。 跟踪系统为学生提供固定路线内公交车的位置信息。 使用LED面板和智能手机应用程序，学生在指定的时间间隔后获得公交车的状态。 实时公交车跟踪系统有利于大学院校的大学生。 通过巴士追踪系统，他们可以花更多时间学习，睡觉或放松，而不是等待延迟的巴士。 花更少的时间等待巴士可以改善学生的舒适和有效的时间管理。 此外，公交车追踪系统有助于提高儿童在校车上的安全性。

2.2车辆跟踪和防盗追踪系统

防盗追踪系统是防止或检测被认为有价值的设备未经授权访问的一种方式。 Ramadan，Al-Khedher和Al-Kheder [10]提出了使用基于跟踪系统的GPS / GSM技术来保护车辆免受入侵者侵害的车辆跟踪和防盗系统的设计和实施。 该系统使用卡尔曼滤波器[11]来减少位置误差，从而提高了位置确定的准确性。 当车辆点火开启时，车主会收到车辆现在正在运行的确认短信。 如果访问车辆是非法的，车主会发送短信关闭车辆。 嵌入Google Earth的笔记本电脑用于跟踪和查看地图上车辆的位置和状态。 智能手机将成为替代笔记本电脑性能的好替代品。 图2显示了所提出的系统的框图。

图2.车辆跟踪和防盗系统框图[10]

2.3使用社交网络服务的车

2.3使用社交网络服务的车辆跟踪系统

基于社交网络服务（如Twitter和Facebook）的车辆跟踪系统吸引了许多用户的兴趣[12]。 每个车载设备具有Twitter社交网络的账户并且可以定期识别社交网络中的车辆位置。 Web界面用于显示放置在Google地图上的车辆位置，以及车门状态，如开门/关门，点火开关。 此外，用户可以从网络界面向车载设备发送命令以重新启动车辆或关闭车辆。 由于智能手机具有可用的社交网络服务，因此可以更轻松地从智能手机访问建议的系统。 因此，该系统对社交网络和智能手机用户将变得更加高效，它们可以快速监控车辆的位置和状态。

3. 实施细节

在由微控制器控制的车辆跟踪系统的开发中，需要硬件和软件设计技术。

3.1 Arduino微控制器

基于Atmega328的Arduino UNO R3 [13]微控制器被用作控制车辆跟踪系统的大脑。 Arduino Shields用于GPS和GSM / GPRS模块。 控制它们的软件程序是用C语言编写的，编译后存入微控制器的闪存中。

3.2 GPS模块

车辆跟踪系统中的全球定位系统通常用于向用户提供诸如位置坐标，速度，时间等地球上任何地方的信息。 在这项工作中，采用Sparkfun网站提供的GPS模块和GPS接收器来实现车载设备。 GPS模块具有带天线的GPS接收器。 有两个滑动开关和一个按钮开关。

GPS模块与图3所示的相同。 [14]提供了有关GPS模块的详细信息。在图3中，（1）是用于UART和DLINE选择的开关。选择DLINE时，GPS模块中的Rx和Tx将分别连接到微控制器数字引脚2和3。如果选择了UART，则GPS模块中的Rx和Tx将分别连接到微控制器数字引脚0和1。在这项工作中，GSM / GPRS模块中的Tx和Rx使用微控制器数字引脚2和3.因此，必须将GPS开关1设置为UART位置，否则如果选择DLINE位置，其数字引脚将与GSM / GPRS模块。即使选择了UART，在尝试将程序代码上传到Arduino时，用户也会在微控制器中看到错误信息，因为UART使用的编号与用于编程的相同，但不会有任何损坏。由于这些原因，GPS模块应在源代码上传后选择UART位置的开关。在图3中，（2）是GPS接收机。这是获取位置信息所必需的。 GPS接收器模块使用20通道EM-406A SiRF III接收器。

图3. GPS模块。 （1）UART和DLINE选择开关，（2）GPS接收器，（3）复位开关，（4）电源开关

一旦微控制器和GPS模块组装完毕，GPS模块几乎可以获取车辆的位置信息。 TinyGPS库[15]用于与GPS模块通信并访问数据。 EM-406的工作速度为4800 bps，但如果用户使用其他类型的GPS，他们应该为他们的特定设备确定正确的波特率。

3.3 GSM / GPRS模块

GSM / GPRS模块[16]负责通过GSM / GPRS网络使用TCP / IP连接在车载设备和远程服务器之间建立连接，以传输车辆的位置信息。

3.3.1 硬件

微控制器的蜂窝屏蔽罩包含将微控制器与SM5100B蜂窝模块接口所需的所有部件。 GSM / GPRS屏蔽上的SM5100B芯片是一款紧凑型四频蜂窝模块。 SIM卡和蜂窝天线对于GSM / GPRS模块的功能至关重要。 AT＆T生产的SIM卡需要足够的数据量进行测试。 GSM / GPRS模块和蜂窝天线通过Sparkfun网站购买。 如图4所示，需要一个GSM / GPRS模块，一个SIM卡（预付费或直接使用手机）和蜂窝天线来实现所提出的车辆跟踪系统。

（a） (b) (c)

图4.（a）带有SM5100B的GSM / GPRS模块，（b）AT＆T SIM卡（50MB）和（c）四频蜂窝鸭天线SMA

Serial.begin（）命令用于设置串口的每秒位数（波特率）的通信数据速率。

Serial.begin（9600）

为了与计算机通信，SM5100B蜂窝模块的工作速度为9600 bps。 当GPRS模块开启时，微控制器会回应以下用于检查操作条件以及SIM卡是否连接的消息。

SIND：1（SIM插入）

SIND：10“SM”1“FD”1“LD”1“MC”1“RC”1“ME”1（SIM READY）

SIND：11（GPRS注册到网络）

SIND：3（CALL READY）

SIND：4（SMS READY）

3.3.2 AT命令

调制解调器等设备使用所谓的AT命令与其他设备进行通信。 AT命令用于控制SM5100B上的TCP / IP。 TCP / IP的AT命令及其SM5100B的参数可以在[17]中找到。 AT命令语法如下。

ATlt;commandhellip;gt; lt;CRgt;

几乎每条命令行都以AT开头，接着是一个或多个命令，并以回车（CR）字符结束。 第一步是将GPRS连接到网络。 因此，微控制器发送以下命令附加到GPRS网络。

AT CGATT=1

下一步是设置或编辑分组数据协议（PDP）上下文参数，例如接入点名称（APN）。 使用正确的APN非常重要（例如，服务提供商AT＆T的wap.cingular）。 否则，SIM卡将不被允许连接到网络。 当通过网关在GPRS模块和移动网络之间传递信息时，APN需要访问互联网。 该命令如下所示：（APN由网络服务提供商提供。）

AT CGDCONT=1, “IP ”, “APN ”

网络服务提供商（AT＆T）提供用户名和密码来授权网络连接。 下一步是使用用户名（WAP@CINGULARGPRS.COM）和密码（CINGULAR1）从网络服务提供商处获得授权。 该命令如下所示：

AT CGPCO=0, “ user name ”, ” password ”, 1

下一步的命令用于激活PDP上下文。

AT CGACT =1,1

3.4 HTTP通信

HTTP通信通常通过TCP / IP连接进行。 HTTP服务器的标准端口为80.为了通过Internet发送数据，需要建立套接字连接。 在这项工作中，套接字对于使用我们的服务器非常有用，它使用户能够建立用于发送数据的TCP套接字连接。 该套接字具有三个主要特征：协议，IP地址/主机名和端口号。 命令“AT SDATACONF”和“AT SDATASTART”分别用于配置远程主机和端口，并打开用于TCP连接的套接字。 这些命令如下所示：

AT SDATACONF=1, 'TCP', 'Server address', 80

AT SDATASTART=1,1

第一个参数表示传输协议类型（TCP / UDP），第二个参数表示Web服务器的IP地址/主机名，最后一个参数表示端口号。当建立与服务器的连接时，微控制器已准备好将位置信息发送给服务器。 SM5100B的AT命令有两种不同的方式发送位置信息。在这项工作中，使用命令“AT SDATATSEND”而不是“AT SSTRSEND”。该命令“AT SSTRSEND”由换行符终止（回车和换行）。相反，命令“AT SDATATSEND”不会将字符解释为任何类型的控制代码。首先，该命令需要为GSM / GPRS模块提供我们发送的数据包的长度。然后，我们应该等待模块中的gt;字符告诉

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