基于GPRS&GPS的防盗追踪系统的设计方案

　　0 引言

　　防盗追踪系统集合了GPRS 技术、GPS 技术、传感器技术、计算机控制技术等多项技术， 可广泛应用于野外基站、电力、煤炭、市政、交通等部门行业的设备远程监控、防盗。目前常用的防盗监控系统通常只能做到监视设备是否丢失， 以及在设备被盗时发出警报。但是如果用户响应慢， 即使发现东西被盗， 也无能为力。防盗追踪系统正是针对这点而设计的， 不但能实时监控设备， 在设备被盗时发出警报， 而且即使用户来不及阻止， 也能在被盗后继续追踪定位设备的位置， 并能找回被盗设备， 从而避免了损失。

　　1 技术简介

　　1. 1 GPRS总述

　　GPRS 是通用分组无线服务技术（ general packet radio service） 的简称， 它是GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务， 位于第二代（ 2G） 和第三代（ 3G ） 移动通讯技术之间。它通过利用GSM 网络中未使用的T DMA 信道， 提供中速的数据传递。GPRS 突破了GSM 网只能提供电路交换的思维方式， 只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换， 这种改造的投入相对来说并不大， 但得到的用户数据速率却相当可观。而且， 因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器， 所以连接及传输都会更方便容易。

　　1. 2 GPRS 技术特点

　　相对于GSM 的9. 6 Kbps 的访问速度而言， GPRS 拥有171. 2 Kbps 的访问速度； 在连接建立时间方面， GSM需要10~ 30 s, 而GPRS 只需要极短的时间就可以访问到相关请求； 对于费用， GSM 是按连接时间计费的， 而GPRS 只需要按数据流量计费； GPRS 对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM。

　　2 GPS 技术

　　2. 1 GPS 技术简介

　　GPS 是全球定位系统（ global positioning system） 的简称， 而其中文简称为"球位系"。GPS 是20 世纪70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统， 其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务， 并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过20 余年的研究实验， 耗资300 亿美元， 到1994 年3 月， 全球覆盖率高达98% 的24颗GPS 卫星星座已布设完成。

　　2. 2 GPS 原理

　　GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离， 然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的， 卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出， 而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间， 再将其乘以光速得到。

　　2. 3 GPS 前景

　　由于GPS 技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点， 作为先进的测量手段和新的生产力， 已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。据国外一些卫星导航权威机构调研显示， 中国GPS 行业的潜在市场十分庞大诱人。有业内权威人士曾预测， 到2008 年底， 中国安装GPS 系统的汽车至少将增加5 倍， 产值至少超过250 亿元人民币。这一切都为许多数码企业描绘出了GPS 市场未来的美好前景。

　　2 系统设计方案

　　防盗追踪系统具有防盗监控以及定位追踪2 项功能：

　　防盗监控是指系统通过传感器监测设备的动作， 从而判断是否有被盗的动作， 一旦检测到目标有被移动的行为， 立即向用户通过GPRS 发送被盗警报， 提醒用户作出下一步行动； 追踪定位则是用户在得知设备被偷走后， 利用GPRS 指令启动GPS 功能， 对被盗的设备进行追踪定位，方便用户找回被盗设备。

　　整个系统分为server 和client 两部分， 在应用现场分布结构如图1 所示。每个client 接入GPRS 网络， 并有自己的唯一的ID 号， GPRS 网络与Internet 相连， 处于Internet 上的server 能够集中管理这些client。

图1  应用现场分布结构

　系统的数据流如图2 所示。传感器与GPS 分别输出动作信息与位置信息， 处理器接收并处理这些信息， 并通过GPRS 模块发送至Internet 上， 位于Int ernet 上的上位机能够获取上传的信息， 从而实现远程监控防盗， 以及位置追踪的功能。

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图2 系统数据流示意

　　3 系统硬件设计

　　3. 1 电源部分

　　系统采用锂电池供电， 供电电压为3. 6 V , 而GPRS模块的工作电压为4 V, 系统其他部分则为3. 3 V。由于采用的是电池供电， 因而在低功耗方面有严格的控制， 这就要求在电源管理方面必须科学管理系统的各部分功耗。

　　本设计采用了多个带使能控制引脚的电源芯片， 对于不需要工作的模块， 则用处理器关掉其供电， 只有在需要的时候， 重新打开开关， 从而做到电能的节约使用， 大大降低系统功耗。

　　系统电源部分设计如图3 所示。GPRS、GPS 分别采用带使能控制的电源芯片LT3125 和LP3996 进行供电。

图3  电源系统[page]

　　正常情况下， MCU 关断这2 个模块的电源， 只间隔一定的时间启动这两个模块报告设备状况。当传感器一旦检测到有异动， 处理器马上打开这2 个模块的供电， 使用GPS进行位置定位， GPRS 向用户发送设备状况以及报警。

　　L T3125 是凌力特尔公司的一款DC-DC 电源芯片， 输入电压可在1. 8~ 5. 5 V, 输出在2~ 5 V 可调， 输出峰值电流1. 2 A, 并带使能控制开关。此芯片刚好能满足本系统的要求， 在电池低于3. 6 V, 一直到1. 8 V 也能确保GPRS 能正常工作。

　　L P3996 是美国国家半导体公司生产的一款带控制开关的LDO 芯片， 能把3. 6 V 输入电压转成3. 3 V 电压稳定输出， 具有低纹波特点， 刚好满足GPS 模块低纹波输入要求。

　　3. 2 处理器与通信模块

　　GPRS 与GPS 模块都是通过UA RT 接口对外进行通信， 如图4 所示。GPRS 模块对外的接口为一个标准的9线U ART 接口， 其电平为2. 8 V, 而处理器的电平为3. 3V, 因此在GPRS 模块与处理器之间需要有一个电平转换的buffer , 实现接口的电平匹配。系统采用的是IDT74FCT 3244Q8 作为电平转换的芯片。GPS 模块也是通过一个U ART 串行接口与单片机进行通信， 此串行接口使用起来比较简单， 只有收发2 根线。

图4  GPRS、GPS 通信模块

　　处理器采用的是ATMEL 公司的A T91SAM7S 系列的A RM7 芯片， 具有3 个U ART , 其中一个为标准的9 线串口， 8 路A D, 内嵌512K 的Flash, 能满足系统的需求。

　　GPRS 模块则采用的是WAV ECOM 公司的Q 24PLUS 型号， 此模块集成了T CP/ IP 协议栈， 对外的接口为一9 线标准串口， 通过此串口利用AT 指令控制模块， 能够实现数据的透明传输。支持GSM、GPRS 网络， 以及4 频段载波。GPS 模块采用的是U blox 公司的LEA-5H 型号，支持冷热双启动模式、快速定位， 内含RAM, 在有后备电池的情况下能保存位置信息， 实现快速热启动。输出的信息为国际标准的NMEA 格式的字符串， 对外接口为2 线串行接口， 用户只需接收NMEA 字符串， 并按格式提取相应信息即可。

　　3. 3 处理器与传感器

　　传感器采用的是Analog Device 生产的一款三维重力加速度传感器， 其型号是ADXL335, 此传感器能精确的实时的测量三维方向上的加速的大小， 并量化成电压值从3个接口输出， 用户只需测量这3 个电压值的大小， 并通过特定的公式计算， 从而得知3 个方向上的加速度大小。系统采用3 路10 位的AD 对输出的电压进行采样， 从而得到较为精确的电压值， 并在处理器内部通过一定的算法，把这3 个电压值换算成加速度值， 从而判断物体是否发生运动。

　　4 系统软件设计

　　系统的处理器为A RM7 处理器， 并采用ECOS 嵌入式操作系统, 所有的软件都是基于ECOS 平台进行开发的。系统的软件架构如图5 所示。最底层的是位于硬件层之上的驱动层， 包括GPRS、GPS、传感器， FLASH 等一些驱动模块； 再上一层就是操作系统层， 这些模块都在ECOS 操作系统目录下而被ECOS 调用； 位于操作系统之上的即为应用层。应用层包含了系统要求的各项功能： 系统初始化、GPS 追踪定位、运动检测、用户命令处理等。

图5  系统软件架构

　　4. 1 追踪定位过程

　　一般情况下， 系统处于休眠模式， 并侦听唤醒信号的到来， 一旦接收到唤醒信号， 开始检查物体是否被移动， 若没有移动， 则仍然用以前的位置信息作为现在的位置信息， 一旦检测到移动， 则马上启动GPS 模块， 实时获取当前的位置信息， 并覆盖以前的位置信息， GPRS 再把新获取的位置信息报告给上位机， 实现位置的实时跟踪。[page]

　　用户是通过GPRS 远程控制系统的工作状态， 由于GPRS 不能一直处于网络连接状态， 用户什么时候发起通信， 这些都是未知的。因此， 系统必须为GPRS 模块设置一个工作状态， 定时的开启GPRS, 如果检测到有新的信息传来， 则让GPRS 进入工作状态， 接收并处理用户发过来的命令， 如果没有， 则继续进入休眠状态。处理完命令后， 更改并保存用户新设置的参数， 系统按照用户要求进入一个新的工作状态。此过程的工作流程图如图6 所示。

图6 GPRS 工作流程

　　4. 3 上位机部分

　　上位机主要功能是管理GPRS 终端设备， 通过T CP/IP 协议发送或接受数据包， 实现与终端的数据通信。上位机位于互联网上， 具有独立的IP 地址， GPRS 终端可以利用此唯一的的IP 地址寻找到上位机并发起通信。上位机开放特定的端口， 并一直对此端口进行侦听， 一旦收到终端发过来的请求， 便建立连接， 并开始进行通信。

　　上位机的软件流程如图7 所示。

图7 上位机流程

　　5 结束语

　　采用基于GPRS、GPS 双网络结合的防盗追踪系统，相对于传统的防盗监控系统， 不但能实现远程实时监控的功能， 同时还能对于被盗设备能追踪定位， 对被盗设备的找回提供准确的位置信息， 从而挽救财产降低损失。目前GPRS, GPS , Internet 都是应用的十分广泛的技术， 采用这3 种技术的结合， 无疑是强强联手， 发挥出更强大的功效。