0 引言

　　防盜" title="防盜">防盜追蹤系統(tǒng)" title="追蹤系統(tǒng)">追蹤系統(tǒng)集合了GPRS" title="GPRS">GPRS 技術(shù)、GPS" title="GPS">GPS 技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)， 可廣泛應(yīng)用于野外基站、電力、煤炭、市政、交通等部門(mén)行業(yè)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、防盜。目前常用的防盜監(jiān)控系統(tǒng)通常只能做到監(jiān)視設(shè)備是否丟失， 以及在設(shè)備被盜時(shí)發(fā)出警報(bào)。但是如果用戶(hù)響應(yīng)慢， 即使發(fā)現(xiàn)東西被盜， 也無(wú)能為力。防盜追蹤系統(tǒng)正是針對(duì)這點(diǎn)而設(shè)計(jì)的， 不但能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備， 在設(shè)備被盜時(shí)發(fā)出警報(bào)， 而且即使用戶(hù)來(lái)不及阻止， 也能在被盜后繼續(xù)追蹤定位設(shè)備的位置， 并能找回被盜設(shè)備， 從而避免了損失。

　　1 技術(shù)簡(jiǎn)介

　　1. 1 GPRS總述

　　GPRS 是通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)（ general packet radio service） 的簡(jiǎn)稱(chēng)， 它是GSM 移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)， 位于第二代（ 2G） 和第三代（ 3G ） 移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM 網(wǎng)絡(luò)中未使用的T DMA 信道， 提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS 突破了GSM 網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式， 只通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換， 這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大， 但得到的用戶(hù)數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀(guān)。而且， 因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無(wú)線(xiàn)應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器， 所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。

　　1. 2 GPRS 技術(shù)特點(diǎn)

　　相對(duì)于GSM 的9. 6 Kbps 的訪(fǎng)問(wèn)速度而言， GPRS 擁有171. 2 Kbps 的訪(fǎng)問(wèn)速度； 在連接建立時(shí)間方面， GSM需要10~ 30 s, 而GPRS 只需要極短的時(shí)間就可以訪(fǎng)問(wèn)到相關(guān)請(qǐng)求； 對(duì)于費(fèi)用， GSM 是按連接時(shí)間計(jì)費(fèi)的， 而GPRS 只需要按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)； GPRS 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率而相對(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GSM。

　　2 GPS 技術(shù)

　　2. 1 GPS 技術(shù)簡(jiǎn)介

　　GPS 是全球定位系統(tǒng)（ global positioning system） 的簡(jiǎn)稱(chēng)， 而其中文簡(jiǎn)稱(chēng)為"球位系"。GPS 是20 世紀(jì)70 年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)， 其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)， 并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過(guò)20 余年的研究實(shí)驗(yàn)， 耗資300 億美元， 到1994 年3 月， 全球覆蓋率高達(dá)98% 的24顆GPS 衛(wèi)星星座已布設(shè)完成。

　　2. 2 GPS 原理

　　GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶(hù)接收機(jī)之間的距離， 然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的， 衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出， 而用戶(hù)到衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶(hù)所經(jīng)歷的時(shí)間， 再將其乘以光速得到。

　　2. 3 GPS 前景

　　由于GPS 技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)， 作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力， 已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)國(guó)外一些衛(wèi)星導(dǎo)航權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)研顯示， 中國(guó)GPS 行業(yè)的潛在市場(chǎng)十分龐大誘人。有業(yè)內(nèi)權(quán)威人士曾預(yù)測(cè)， 到2008 年底， 中國(guó)安裝GPS 系統(tǒng)的汽車(chē)至少將增加5 倍， 產(chǎn)值至少超過(guò)250 億元人民幣。這一切都為許多數(shù)碼企業(yè)描繪出了GPS 市場(chǎng)未來(lái)的美好前景。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　防盜追蹤系統(tǒng)具有防盜監(jiān)控以及定位追蹤2 項(xiàng)功能：

　　防盜監(jiān)控是指系統(tǒng)通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的動(dòng)作， 從而判斷是否有被盜的動(dòng)作， 一旦檢測(cè)到目標(biāo)有被移動(dòng)的行為， 立即向用戶(hù)通過(guò)GPRS 發(fā)送被盜警報(bào)， 提醒用戶(hù)作出下一步行動(dòng)； 追蹤定位則是用戶(hù)在得知設(shè)備被偷走后， 利用GPRS 指令啟動(dòng)GPS 功能， 對(duì)被盜的設(shè)備進(jìn)行追蹤定位，方便用戶(hù)找回被盜設(shè)備。

　　整個(gè)系統(tǒng)分為server 和client 兩部分， 在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)如圖1 所示。每個(gè)client 接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)， 并有自己的唯一的ID 號(hào)， GPRS 網(wǎng)絡(luò)與Internet 相連， 處于Internet 上的server 能夠集中管理這些client。

圖1  應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)

　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖2 所示。傳感器與GPS 分別輸出動(dòng)作信息與位置信息， 處理器接收并處理這些信息， 并通過(guò)GPRS 模塊發(fā)送至Internet 上， 位于Int ernet 上的上位機(jī)能夠獲取上傳的信息， 從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控防盜， 以及位置追蹤的功能。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3. 1 電源部分

　　系統(tǒng)采用鋰電池供電， 供電電壓為3. 6 V , 而GPRS模塊的工作電壓為4 V, 系統(tǒng)其他部分則為3. 3 V。由于采用的是電池供電， 因而在低功耗方面有嚴(yán)格的控制， 這就要求在電源管理方面必須科學(xué)管理系統(tǒng)的各部分功耗。

　　本設(shè)計(jì)采用了多個(gè)帶使能控制引腳的電源芯片， 對(duì)于不需要工作的模塊， 則用處理器關(guān)掉其供電， 只有在需要的時(shí)候， 重新打開(kāi)開(kāi)關(guān)， 從而做到電能的節(jié)約使用， 大大降低系統(tǒng)功耗。

　　系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)如圖3 所示。GPRS、GPS 分別采用帶使能控制的電源芯片LT3125 和LP3996 進(jìn)行供電。

圖3  電源系統(tǒng)

　　正常情況下， MCU 關(guān)斷這2 個(gè)模塊的電源， 只間隔一定的時(shí)間啟動(dòng)這兩個(gè)模塊報(bào)告設(shè)備狀況。當(dāng)傳感器一旦檢測(cè)到有異動(dòng)， 處理器馬上打開(kāi)這2 個(gè)模塊的供電， 使用GPS進(jìn)行位置定位， GPRS 向用戶(hù)發(fā)送設(shè)備狀況以及報(bào)警。

　　L T3125 是凌力特爾公司的一款DC-DC 電源芯片， 輸入電壓可在1. 8~ 5. 5 V, 輸出在2~ 5 V 可調(diào)， 輸出峰值電流1. 2 A, 并帶使能控制開(kāi)關(guān)。此芯片剛好能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求， 在電池低于3. 6 V, 一直到1. 8 V 也能確保GPRS 能正常工作。

　　L P3996 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款帶控制開(kāi)關(guān)的LDO 芯片， 能把3. 6 V 輸入電壓轉(zhuǎn)成3. 3 V 電壓穩(wěn)定輸出， 具有低紋波特點(diǎn)， 剛好滿(mǎn)足GPS 模塊低紋波輸入要求。

　　3. 2 處理器與通信模塊

　　GPRS 與GPS 模塊都是通過(guò)UA RT 接口對(duì)外進(jìn)行通信， 如圖4 所示。GPRS 模塊對(duì)外的接口為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的9線(xiàn)U ART 接口， 其電平為2. 8 V, 而處理器的電平為3. 3V, 因此在GPRS 模塊與處理器之間需要有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換的buffer , 實(shí)現(xiàn)接口的電平匹配。系統(tǒng)采用的是IDT74FCT 3244Q8 作為電平轉(zhuǎn)換的芯片。GPS 模塊也是通過(guò)一個(gè)U ART 串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信， 此串行接口使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單， 只有收發(fā)2 根線(xiàn)。

圖4  GPRS、GPS 通信模塊

　　處理器采用的是ATMEL 公司的A T91SAM7S 系列的A RM7 芯片， 具有3 個(gè)U ART , 其中一個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)的9 線(xiàn)串口， 8 路A D, 內(nèi)嵌512K 的Flash, 能滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。

　　GPRS 模塊則采用的是WAV ECOM 公司的Q 24PLUS 型號(hào)， 此模塊集成了T CP/ IP 協(xié)議棧， 對(duì)外的接口為一9 線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)串口， 通過(guò)此串口利用AT 指令控制模塊， 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。支持GSM、GPRS 網(wǎng)絡(luò)， 以及4 頻段載波。GPS 模塊采用的是U blox 公司的LEA-5H 型號(hào)，支持冷熱雙啟動(dòng)模式、快速定位， 內(nèi)含RAM, 在有后備電池的情況下能保存位置信息， 實(shí)現(xiàn)快速熱啟動(dòng)。輸出的信息為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的NMEA 格式的字符串， 對(duì)外接口為2 線(xiàn)串行接口， 用戶(hù)只需接收NMEA 字符串， 并按格式提取相應(yīng)信息即可。

　　3. 3 處理器與傳感器

　　傳感器采用的是Analog Device 生產(chǎn)的一款三維重力加速度傳感器， 其型號(hào)是ADXL335, 此傳感器能精確的實(shí)時(shí)的測(cè)量三維方向上的加速的大小， 并量化成電壓值從3個(gè)接口輸出， 用戶(hù)只需測(cè)量這3 個(gè)電壓值的大小， 并通過(guò)特定的公式計(jì)算， 從而得知3 個(gè)方向上的加速度大小。系統(tǒng)采用3 路10 位的AD 對(duì)輸出的電壓進(jìn)行采樣， 從而得到較為精確的電壓值， 并在處理器內(nèi)部通過(guò)一定的算法，把這3 個(gè)電壓值換算成加速度值， 從而判斷物體是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的處理器為A RM7 處理器， 并采用ECOS 嵌入式操作系統(tǒng), 所有的軟件都是基于ECOS 平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖5 所示。最底層的是位于硬件層之上的驅(qū)動(dòng)層， 包括GPRS、GPS、傳感器， FLASH 等一些驅(qū)動(dòng)模塊； 再上一層就是操作系統(tǒng)層， 這些模塊都在ECOS 操作系統(tǒng)目錄下而被ECOS 調(diào)用； 位于操作系統(tǒng)之上的即為應(yīng)用層。應(yīng)用層包含了系統(tǒng)要求的各項(xiàng)功能： 系統(tǒng)初始化、GPS 追蹤定位、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、用戶(hù)命令處理等。

圖5  系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　4. 1 追蹤定位過(guò)程

　　一般情況下， 系統(tǒng)處于休眠模式， 并偵聽(tīng)喚醒信號(hào)的到來(lái)， 一旦接收到喚醒信號(hào)， 開(kāi)始檢查物體是否被移動(dòng)， 若沒(méi)有移動(dòng)， 則仍然用以前的位置信息作為現(xiàn)在的位置信息， 一旦檢測(cè)到移動(dòng)， 則馬上啟動(dòng)GPS 模塊， 實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前的位置信息， 并覆蓋以前的位置信息， GPRS 再把新獲取的位置信息報(bào)告給上位機(jī)， 實(shí)現(xiàn)位置的實(shí)時(shí)跟蹤。

　　用戶(hù)是通過(guò)GPRS 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 由于GPRS 不能一直處于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)， 用戶(hù)什么時(shí)候發(fā)起通信， 這些都是未知的。因此， 系統(tǒng)必須為GPRS 模塊設(shè)置一個(gè)工作狀態(tài)， 定時(shí)的開(kāi)啟GPRS, 如果檢測(cè)到有新的信息傳來(lái)， 則讓GPRS 進(jìn)入工作狀態(tài)， 接收并處理用戶(hù)發(fā)過(guò)來(lái)的命令， 如果沒(méi)有， 則繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)。處理完命令后， 更改并保存用戶(hù)新設(shè)置的參數(shù)， 系統(tǒng)按照用戶(hù)要求進(jìn)入一個(gè)新的工作狀態(tài)。此過(guò)程的工作流程圖如圖6 所示。

圖6 GPRS 工作流程

　　4. 3 上位機(jī)部分

　　上位機(jī)主要功能是管理GPRS 終端設(shè)備， 通過(guò)T CP/IP 協(xié)議發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包， 實(shí)現(xiàn)與終端的數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)位于互聯(lián)網(wǎng)上， 具有獨(dú)立的IP 地址， GPRS 終端可以利用此唯一的的IP 地址尋找到上位機(jī)并發(fā)起通信。上位機(jī)開(kāi)放特定的端口， 并一直對(duì)此端口進(jìn)行偵聽(tīng)， 一旦收到終端發(fā)過(guò)來(lái)的請(qǐng)求， 便建立連接， 并開(kāi)始進(jìn)行通信。

　　上位機(jī)的軟件流程如圖7 所示。

圖7 上位機(jī)流程

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　采用基于GPRS、GPS 雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的防盜追蹤系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的防盜監(jiān)控系統(tǒng)， 不但能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能， 同時(shí)還能對(duì)于被盜設(shè)備能追蹤定位， 對(duì)被盜設(shè)備的找回提供準(zhǔn)確的位置信息， 從而挽救財(cái)產(chǎn)降低損失。目前GPRS, GPS , Internet 都是應(yīng)用的十分廣泛的技術(shù)， 采用這3 種技術(shù)的結(jié)合， 無(wú)疑是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手， 發(fā)揮出更強(qiáng)大的功效。

　　市場(chǎng)需求也將十分巨大， 在各個(gè)行業(yè)的財(cái)產(chǎn)管理將得到充分應(yīng)用， 因而具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)： 1） 加入GPS 技術(shù)， 即使設(shè)備被盜很遠(yuǎn)， 利用GPS 定位， 亦可追回， 亡羊補(bǔ)牢； 2） 低功耗， 采用先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)， 使功耗降到最低； 3） 兼容性好， 能應(yīng)用于不同的工作場(chǎng)所， 實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的防盜追蹤。