基于双星定位的4G监控报警系统设计

0 引言

随着信息技术的发展，无线通信已经普及，而我们通常的监控手段仍是接触式的。接触式监控的缺点是：接触式控制大多通过有线网络将采集的信息进行远程传送，成本较高，大大限制了使用范围；适用范围窄，灵活性差，在一些高危和不方便人员直接监控的场合更加难以发挥作用；随着现代电子技术的不断发展，破解接触式监控的手段日益增多，从而大大降低接触式监控的安全性能。随着社会经济的蓬勃发展和生活水平日益提高，人们在追求生活质量的同时，对人身财产安全保障也提出了更新的要求，所以新型、性能更加优越的防盗报警系统成为市场需求的一个主流。本系统就是针对传统监控报警产品的缺点开发的一套基于卫星定位和4G技术的新型监控报警系统，用于实现远距离、准确和实时监控报警和导航定位。

本系统以汽车为开发平台，通过安装传感监控装置，收集信息传递给以单片机为中心的控制系统，经过分析处理后经由GSM(全球移动通信系统)／GPRS(通用分组无线电业务)网络，将报警信息通过电话、SMS(短信业务)或MMS(多媒体信息业务)等形式通知用户，从而实现远距离、准确和实时报警。现在市场上的GPS(全球定位系统)可实现精确的定位寻车及一般的导航，但是GPS的核心技术掌握在美国手中，如果一旦发生战争，美国关闭应用，后果不堪设想，尤其不利于军用，所以我们采用了GPS和我国自主研发的"北斗双星"双模导航定位技术。

1 硬件系统

本系统由MCU控制模块、数据采集模块、信息的接收和发送模块、GPS模块和北斗双星定位模块5部分组成。数据采集模块利用不同的传感器将采集到的信号送到MCU，MCU进行分析和处理后发出控制信息和报警指令给GSM模块，然后通过GSM／GPRS网络或北斗双星向用户传递报警信息，达到监控报警的目的。系统将根据用户的决策采取诸如远程喊话示警、遥控拍照和切断油路等操作保证车辆安全。同时，该系统还利用GPS和北斗双星双模定位的方法，实现全天候、高精度的实时导航定位，定位精度可达3 m～10 m。

MCU以串行通信的方式实现与GSM、GPS和北斗双星终端的物理连接，并且留有与PC机的。RS-232串行通信接口。利用北斗双星定位终端实现快速定位，并将位置信息通过GSM或者双星简短通信的方式发送到用户和中心站，同时，北斗卫星的双向短报文通信功能可以实现区域报警。

系统总体设计框图见图1。

1.1 MCU控制模块

该模块起着对传感器报警信息和用户控制信息的接收、分析和处理，是本系统的核心组成部分。它的设计包括电源部分、电平转换部分、存储器设计部分和外部接口部分(包括传感器信号输入、MCU控制外部设备信号输出显示、MCU与北斗双星定位模块和GSM模块之间的通信接口)。

1.2 数据采集模块

数据采集模块中可供利用的有多种传感器，如振动传感器、压力传感器、开关式和断线式传感器等多种类型的传感器，当汽车受到振动、车门被打开或者有人坐在座位上时就会产生不同的信息，将这些传感器收集到的不同数据和信息输入系统MCU，以供后续处理。此模块设计思路是充分利用车载已有的安全成熟的产品作为系统部分。其优点是：系统安全性和稳定性将大幅提高；可以较好地解决系统状态控制问题，若仅考虑利用手机短信进行设防和解防，不仅很不方便，而且长期的额外信息费用也是不可忽视的；可在原有基础上进行改装，降低产品的成本，同时还可以合理有效地利用已有车载设备，使资源得到合理有效的配置。

1.3 信息的接收和发送模块

以GSM模块为核心，实现系统与用户之间的信息交互，在系统中发挥了发送报警信息和接收用户回应的功能。该模块通过GSM网络进行数据通信，无需设置运营中心，大大降低了生产推广成本。此模块的设计思路是：使用开放性较好的GSM模块，并且严格执行欧洲电信联盟的GSM0707、GSM0705、GSM0338等规范和协议，方便系统软件开发，并增强系统软件的通用性。

1.4 GPS模块

GPS技术在军用和民用方面的应用都很成熟，通过使用GPS和北斗双星双模定位的方法，可以大大提高导航定位的精度。

1.5 北斗双星定位终端

利用此终端实现快速定位，并将位置信息通过GSM和双星简短通信两种方式发送到用户和中心站，并且利用双星简短通信实现区域报警。主要功能是：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20 ns。

2 软件设计

本系统软件主要参照欧洲电信联盟的GSM0707、GSM0705、GSM0338等规范和协议，结合标准的AT指令集设计编辑而成，并且通过RS-232串口收发来实现MCU与GSM模块、CPS模块和北斗双星导航定位终端的双向通信。经过大量试验，该软件在系统上运行稳定，其通用性和移植性都很好。系统软件设计流程图见图2。

主要流程及相关程序叙述如下：

a) 首先初始化MCU使其进入正常的工作方式，程序通过MCU的UART接口控制GSM模块，串口的初始化函数为serial-init()，分别对MCU和GSM模块、北斗双星导航定位终端、GPS模块以及PC机的外部显示处理接口进行了详细的定义和说明。同时，对相应的传感器和控制引脚的输入或输出方式进行了正确的设置。

b) 为了正确建立MCU和GSM模块之间的通信，检测串口通信速率，在合理设置MCU后，由单片机发出ATE检测信号，若通信建立不正确，则继续检测，等待GSM回应OK确定通信正常建立。

c) 为使GSM模块能在符合用户要求的条件下工作，需对其进行初始化，包括关闭振动和铃声、设置短信内存、模式、提示方式等。



d) 进入工作模式，包括两方面工作内容：

一是检测各个传感器，先检测报警级别高的传感器，若有报警信号送来，则有MCU控制编辑和发送手机短信(或者打电话)通知用户；

二是检测是否有新短信或来电，有则读回并解码执行用户通过短信发来的命令或核实用户来电后控制GSM模块自动应答。由于从串口读取大量数据时不免存在误码，为防止执行错误命令，MCU将连续重复读取同一条短信两次，两次相同时才执行短信中的命令，否则重新读此短信。

3 系统功能和性能

a) 用户密码设置：用户可编辑短信"更改密码****"到GSM模块，在用户接到短信回馈"执行成功"或"执行失败"后即可获知更改密码的执行情况。

b) 更改用户：用户可通过编辑短信"更改用户****"(后4位为设定的密码)，在用户接到短信回馈时可判定结果。

c) 短信报警：当车辆安全受到外界威胁时，车载传感器收集信息后将信息交由MCU判定威胁级别后，发出指令控制GSM模块编辑手机短信如"车门开"、"车被盗"等在第一时间通知用户。

d) MMS图像监控：当用户收到车辆安全情况受到威胁时，可编辑短信"拍照"给车载电话，MCU收到命令后控制GSM模块拍照并在第一时间通过GPRS网络发送给用户，方便用户了解车辆安全具体情况。

e) 远程监听和喊话示警：当用户接收到报警短信后可以直接拨打车载电话，系统将自动接通电话方便用户进行监听，或经由系统自带的功放和扬声器进行扩音喊话示警。

f) 远程制动：当用户接收到短信或通过电话监听发现车辆受到威胁时，可以编辑短信"熄火"到车载电话，系统将会自动切断油路，使汽车停止行驶。

g) 远程遥控暖车：用户可编辑手机短信"暖车"到GSM模块，MCU将控制现有继电器提前进行暖车。

h) 北斗双星导航定位：快速定位；短报文通信；精密授时。

i) 区域通信和报警：当某辆汽车的本系统监测到险情后，可利用北斗双星的简短通信功能给邻近的系统发送报警信息，共同提高安全防护级别，防止险情扩散。

j) GPS与北斗双模定位：系统留有GPS模块的外部接口，可利用GPS结合和北斗双星的定位数据进行差分比较以获得更加精确的导航和定位信息。

k) 随着GIS(地理信息系统)的不断发展，系统信息处理能力将会得到不断提高，可以实现更加高效的实时导航定位和跟踪寻迹。

4 结束语

本设计是集传统车载式防盗报警单元、北斗双星导航定位终端、GPS模块、GSM／GPRS网路和GIS于一体的新型高科技监控报警和导航定位产品。系统在功能、实用性、可靠性及易用性等多方面均符合广大用户的迫切需求。同时，随着我国私人汽车需求量的迅速增大和经济的快速发展，这一系统的市场前景非常广阔，市场潜力非常巨大!