采用GPSOne技术实现贵重物品跟踪定位系统的设计

引 言

消费者委员会对当前货运业存在的问题进行了调查分析，消费者委托运输的贵重物品在运输过程中丢失情况严重，致使消费者的受损金额越来越大。物流公司常常承担运输贵重物品的任务，而这些贵重物品的丢失将会导致他们巨额的损失。GPS英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System”，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。GPS全球卫星定位导航系统，开始时只用于军事目的，后转为民用被广泛应用于商业和科学研究上。GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座，卫星高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔40度，使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。传统的GPS定位技术在户外运转良好，但在室内或卫星信号无法覆盖的地方效果较差，而且如果所在位置上空没有3颗以上的卫星，那么系统就无法从冷启动状态实现定位。

为满足物流公司跟踪定位贵重物品的迫切需要，本文提出了一组基于GPSOne技术的解决方案。在移动通信网络中，通常有以下几种定位技术： 一是基于Cell ID的定位技术，它由网络侧获取用户当前所在的基站Cell信息以获取用户当前位置，其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小； 二是基于AFLT的定位技术，AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）是CDMA独有的技术，在定位操作时，手机/终端同时监听多个基站的导频信息，利用码片时延来确定到附近基站的距离，最后用三角定位法算出具体位置； 三是基于AGPS（无线网络辅助GPS定位技术）的定位技术，AGPS将终端的工作简化，由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，就是将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。

1 定位系统方案

使用CDMA的DTGS-800模块定位是一种很好的物流跟踪管理方案。该模块基于GPSOne技术，GPSOne是一种应用和改善GPS技术的方案，又称为辅助GPS（Assistant GPS）定位技术。GPSOne移动定位技术，结合了GPS卫星信号和CDMA网络信号进行混合定位。随着社会的发展、科技的进步，人们的活动范围越来越大，越来越不确定。移动通信最显着的特点就是位置的移动，从而自然衍生出一些和位置相关的服务需求。在移动通信蓬勃发展的今天，通过无线通信网络提供的定位服务，移动通信用户不仅可以通过这项技术随时了解自己所处的位置，还可延伸到周围有什么自己感兴趣的东西（或场所），或者他人想知道移动者（或移动物）在什么位置等等。

GPSOne是一种由A-GPS（Assisted Global PositionSystem，网络辅助的GPS）与CDMA三角定位结合而成的混合定位技术。两者的有机结合使两种定位技术优势互补。在远离市区的郊外和农村，CDMA三角定位技术因无线基站稀少而精度较差，但这些地方卫星信号较强，可充分利用A-GPS提供的位置信息实现精确定位；在城市繁华地区、大型商厦、写字楼等高层楼宇密集的地方或者室内，卫星信号较弱。

同时，DTGS-800模块采用的是机卡分离技术，只要将一片R-UIM卡开通上网和GPSOne定位功能，然后插入模块就可获得上网和定位服务。 DTGS-800模块自带TCP／IP协议栈，只需通过单片机给模块相应的命令，模块就能自动通过无线方式使用TcP协议连接到Internet。进行连接前，设定所连接的IP地址和端口号为监控端服务器的IP地址和端口号，就可以实现Internet数据传输功能。GIS是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。这是GIS的本质，也是核心。物质世界中的任何事物都被牢牢地打上了时空的烙印。人们的生产和生活中百分之八十以上的信息和地理空间位置有关。GIS作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。由于信息技术的发展，数字时代的来临，理论上来说，GIS可以运用于现阶段任何行业。从技术和应用的角度，GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术；整个定位系统如图1所示。

定位系统包括定位终端、CDMA网络、卫星系统及物流公司监控平台4个部分。定位终端通过卫星或者CD-MA基站获取了当前的时间、经纬度信息后，通过 CDMA网络发送到Internet上，物流公司监控平台利用软件接收来自Internet的相应信息。只要R-UIM卡开通了CD-MA的GPSOne 定位和上网功能，就可获得CDMA网络和卫星系统的相应服务。

整个定位系统的工作方式如下：将DTGS-800模块、行程开关、天线和其他辅助电路封装成一个独立单元制成定位终端，固定在存放物品集装箱的开箱口。运输过程中，当集装箱密封完好并正常运输时，此定位终端可以定时向监控平台发送经纬度、时间等信息；而当集装箱被非正常开启时会触及行程开关，该定位终端可及时向监控平台发送报警信息和定位信息。

2 系统硬件设计

定位终端硬件总体框图如图2所示。

2.1 系统组成

整个定位终端系统包括电源和电池供电模块、MCU模块及外围电路、DTGS-800模块及外围电路。由一片单片机来控制具有定位功能的DTGS-800，它们之间的通信是通过串口来完成的。由于所选单片机和DTGS-800的工作电平都在各自的工作电平范围之内，所以可以直接互连，无需额外的电平变换电路。

2.2 系统各模块设计

2.2.1 电源和电池供电模块

电源供电部分包括两部分：专门的电池供电和汽车电源供电。整个终端系统使用的是专门的电池供电，在运输行程较长而导致电池供电不足时，系统电压检测电路会发出报警，这时可以转换成由汽车电源对其进行供电。

专门的电池供电。DTGS-800供电有两种方法：电池供电（VBATT_INT引脚输入）和外部供电（VEXT_DC引脚输入）。当用电池供电时，要求供电电压VBATT_INT范围为+4.O V±10%。因此选用的是容量为10Ah、输出电压为3.7 V的锂聚合物电池。由于选择的单片机是3.3 V供电，故电池在向单片机供电时需加一片LDO（低压差线性稳压器）芯片MIC5219，其最小压差可以达到0.3 V，满足设计要求。

汽车电源供电。目前汽车用的电池多为铅酸蓄电池，小型汽车用电池一般为12 V，大中型汽车（柴油发动机）为24 V。DTGS-800启动时首先要初始化系统和寻找网络，功耗较高，约300～500 mA，稳定下来后最高功耗（打电话或者上网、定位的情况下）大约在300 mA。设计时要留有余量，因此供电电源要求在外部供电（VEXT_DC）的情况下能有4.5～5 V、1 A的稳定直流供电，最高不能超过5.5 V。考虑到压差较大，且要求输出电流大于1 A，选用的是输出电压为5 V、输出电流最大为3 A的DC-DC（开关电源）芯片LM2576-5。电源及电池供电模块电路如图3所示。

2.2.2 MCU模块及外围电路

MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内FLASH型（典型芯片为89C51）等类型，一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM（One Time Programming, OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。MASKROM的MCU价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合。

MCU选用的是宏晶科技公司的STC12LE5410AD，其工作电压为3.3 V，便于在所选定的系统电源下工作。这是一款带A／D转换的单片机芯片，具有超强抗干扰的特性，并且具有超低的功耗，正常工作时电流仅为4～7mA，空闲时电流<1 mA。它的工作周期仅为一个时钟周期，可以大大降低使用的晶振频率，从而降低EMI（Elec-tromagnetic Interference，电磁干扰）。

MCU外围电路包括晶振电路、复位电路、开关检测电路和电压测量部分。开关检测电路用来检测行程开关的动作，电压测量部分利用单片机的A／D转换功能是来测量DTGS-800供电的电池电压，当检测到电池电压不足时会发出报警，此时需将供电部分转换到汽车电源上。MCU及外围模块电路如图4所示。

2.2.3 DTGS-800模块及外围电路

CDMA模块选用的是美国高通公司带有GPSOne定位功能的集成MSM6050芯片组的DTGS-800。此模块接口共有100个引脚，可提供电话、短信、音频、传真、定位、上网和数据传输等功能，还提供多种用户接口，用户可方便地根据需要进行开发。

DTGS-800与单片机接口使用的是3线（TXD，RXD，GND）串口，利用AT指令可以实现打电话、发短信及定位等功能，但是在上网和数据传输时需要接串口的流控信号（如RTS、CTS及DTR等）。RTS为请求发送信号；CTS为清除发送信号，起流控作用；DTR为数据终端准备好信号，用来指示上网时数据连接的有效性，系统中使用单片机的一个I／O口来控制。当DTR=1时，表示允许数据连接。此时单片机向DTGS-800发送上网指令，DTGS -800就被允许连接到Internet，单片机即可通过串口控制DTGS-800向指定IP地址和端口号的服务器上传输数据。

3 系统软件设计

单片机与DTGS-800通信，分为单片机控制DTGS-800执行相应的功能，以及控制 DTGS-800通过网络向监控服务器传输数据2部分。单片机控制DTGS-800执行相应的功能，只需要通过串口给DTGS-800发送AT指令，不同的AT指令可以实现不同的功能。AT命令是以“AT”为首，字符结束的字符串。单片机每向模块发送一个AT指令，模块都会返回数据。返回的数据是以结束的字符串。单片机收到数据之后，要经过一定的解析和处理，才能重新发送给监控服务器。串口的设置如下：115 200 bps，8位数据位，1位停止位。单片机控制DTGS-800向监控服务器发送数据时，定义了相应的数据格式：帧头+数据内容。帧头包括以下内容：16字节定长的R-UIM卡号码、1字节的命令标识、1字节的数据内容长度，命令类型说明如表1所列。

例如，当发送的数据是定位信息时，帧数据依次是：16字节的R-uIM卡号码（通常为11字节），类似于手机号码，不够16字节时，后面补0x00；1字节的数据内容长度，用来说明每帧帧头后面发送的数据内容的字节数；1字节的命令标识，表明发送的数据帧的意义，如果是定位信息，则发送的是0x12；紧接着是数据内容。

系统软件工作过程如下：在运输过程中，单片机使用定时器定时向监控平台服务器发送定位信息。发送的数据格式遵照前面所述的通信协议数据格式。首先，单片机向DTGS-800发送定位指令“AT+GPSSRT”，CD-MA模块完成定位后向单片机返回定位信息。单片机对此信息进行解析，提取经纬度及当前时间等有效信息后对数据进行转换；再向模块发送上网指令“ATDT1123”，数据连接状态有效后，就开始向监控服务器发送定位信息。软件流程如图5所示。

注意：在TCP连接并发送数据时使用了握手机制，即应答机制。为使系统的流程更加清晰，图5中未给出握手过程。当DTGS-800模块向监控端发送数据时，监控端需要根据情况返回应答信号；模块如果在规定的时间内没有得到应答，默认为连接超时。

结 语

传统的GPS定位技术在物流中应用时，除了使用GPS模块之外，还需要另外使用GSM模块等其他辅助硬件才能实现定位报警功能。而在本文基于GPSOne技术的定位终端中，DTGS-800模块融合了定位、GSM及CDMA网络服务等多种功能，集成度和性价比高。系统测试表明，本方案在楼群密集的市区或者室内实现了精确定位，克服了GPS技术定位盲区的缺点。此系统装置体积小，便于安装在物品集装箱内；定位数据能及时地通过网络发送到物流公司的监控平台服务器上，便于实时监控和管理；还可以在发生物品被盗事件时及时报警，便于物流公司查清事实，追究责任，在一定程度上能防止物流公司内部员工盗窃。