0 引言

　　防盜" title="防盜">防盜追蹤系統" title="追蹤系統">追蹤系統集合了GPRS" title="GPRS">GPRS 技術、GPS" title="GPS">GPS 技術、傳感器技術、計算機控制技術等多項技術， 可廣泛應用于野外基站、電力、煤炭、市政、交通等部門行業的設備遠程監控、防盜。目前常用的防盜監控系統通常只能做到監視設備是否丟失， 以及在設備被盜時發出警報。但是如果用戶響應慢， 即使發現東西被盜， 也無能為力。防盜追蹤系統正是針對這點而設計的， 不但能實時監控設備， 在設備被盜時發出警報， 而且即使用戶來不及阻止， 也能在被盜后繼續追蹤定位設備的位置， 并能找回被盜設備， 從而避免了損失。

　　1 技術簡介

　　1. 1 GPRS總述

　　GPRS 是通用分組無線服務技術（ general packet radio service） 的簡稱， 它是GSM 移動電話用戶可用的一種移動數據業務， 位于第二代（ 2G） 和第三代（ 3G ） 移動通訊技術之間。它通過利用GSM 網絡中未使用的T DMA 信道， 提供中速的數據傳遞。GPRS 突破了GSM 網只能提供電路交換的思維方式， 只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現分組交換， 這種改造的投入相對來說并不大， 但得到的用戶數據速率卻相當可觀。而且， 因為不再需要現行無線應用所需要的中介轉換器， 所以連接及傳輸都會更方便容易。

　　1. 2 GPRS 技術特點

　　相對于GSM 的9. 6 Kbps 的訪問速度而言， GPRS 擁有171. 2 Kbps 的訪問速度； 在連接建立時間方面， GSM需要10~ 30 s, 而GPRS 只需要極短的時間就可以訪問到相關請求； 對于費用， GSM 是按連接時間計費的， 而GPRS 只需要按數據流量計費； GPRS 對于網絡資源的利用率而相對遠遠高于GSM。

　　2 GPS 技術

　　2. 1 GPS 技術簡介

　　GPS 是全球定位系統（ global positioning system） 的簡稱， 而其中文簡稱為"球位系"。GPS 是20 世紀70 年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統， 其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務， 并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。經過20 余年的研究實驗， 耗資300 億美元， 到1994 年3 月， 全球覆蓋率高達98% 的24顆GPS 衛星星座已布設完成。

　　2. 2 GPS 原理

　　GPS 導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離， 然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的， 衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出， 而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間， 再將其乘以光速得到。

　　2. 3 GPS 前景

　　由于GPS 技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點， 作為先進的測量手段和新的生產力， 已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個應用領域。據國外一些衛星導航權威機構調研顯示， 中國GPS 行業的潛在市場十分龐大誘人。有業內權威人士曾預測， 到2008 年底， 中國安裝GPS 系統的汽車至少將增加5 倍， 產值至少超過250 億元人民幣。這一切都為許多數碼企業描繪出了GPS 市場未來的美好前景。

　　2 系統設計方案

　　防盜追蹤系統具有防盜監控以及定位追蹤2 項功能：

　　防盜監控是指系統通過傳感器監測設備的動作， 從而判斷是否有被盜的動作， 一旦檢測到目標有被移動的行為， 立即向用戶通過GPRS 發送被盜警報， 提醒用戶作出下一步行動； 追蹤定位則是用戶在得知設備被偷走后， 利用GPRS 指令啟動GPS 功能， 對被盜的設備進行追蹤定位，方便用戶找回被盜設備。

　　整個系統分為server 和client 兩部分， 在應用現場分布結構如圖1 所示。每個client 接入GPRS 網絡， 并有自己的唯一的ID 號， GPRS 網絡與Internet 相連， 處于Internet 上的server 能夠集中管理這些client。

圖1  應用現場分布結構

　系統的數據流如圖2 所示。傳感器與GPS 分別輸出動作信息與位置信息， 處理器接收并處理這些信息， 并通過GPRS 模塊發送至Internet 上， 位于Int ernet 上的上位機能夠獲取上傳的信息， 從而實現遠程監控防盜， 以及位置追蹤的功能。

圖2 系統數據流示意

　　3 系統硬件設計

　　3. 1 電源部分

　　系統采用鋰電池供電， 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格的控制， 這就要求在電源管理方面必須科學管理系統的各部分功耗。

　　本設計采用了多個帶使能控制引腳的電源芯片， 對于不需要工作的模塊， 則用處理器關掉其供電， 只有在需要的時候， 重新打開開關， 從而做到電能的節約使用， 大大降低系統功耗。

　　系統電源部分設計如圖3 所示。GPRS、GPS 分別采用帶使能控制的電源芯片LT3125 和LP3996 進行供電。

圖3  電源系統

　　正常情況下， MCU 關斷這2 個模塊的電源， 只間隔一定的時間啟動這兩個模塊報告設備狀況。當傳感器一旦檢測到有異動， 處理器馬上打開這2 個模塊的供電， 使用GPS進行位置定位， GPRS 向用戶發送設備狀況以及報警。

　　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， 輸出峰值電流1. 2 A, 并帶使能控制開關。此芯片剛好能滿足本系統的要求， 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 是美國國家半導體公司生產的一款帶控制開關的LDO 芯片， 能把3. 6 V 輸入電壓轉成3. 3 V 電壓穩定輸出， 具有低紋波特點， 剛好滿足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UA RT 接口對外進行通信， 如圖4 所示。GPRS 模塊對外的接口為一個標準的9線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電平轉換的buffer , 實現接口的電平匹配。系統采用的是IDT74FCT 3244Q8 作為電平轉換的芯片。GPS 模塊也是通過一個U ART 串行接口與單片機進行通信， 此串行接口使用起來比較簡單， 只有收發2 根線。

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U ART , 其中一個為標準的9 線串口， 8 路A D, 內嵌512K 的Flash, 能滿足系統的需求。

　　GPRS 模塊則采用的是WAV ECOM 公司的Q 24PLUS 型號， 此模塊集成了T CP/ IP 協議棧， 對外的接口為一9 線標準串口， 通過此串口利用AT 指令控制模塊， 能夠實現數據的透明傳輸。支持GSM、GPRS 網絡， 以及4 頻段載波。GPS 模塊采用的是U blox 公司的LEA-5H 型號，支持冷熱雙啟動模式、快速定位， 內含RAM, 在有后備電池的情況下能保存位置信息， 實現快速熱啟動。輸出的信息為國際標準的NMEA 格式的字符串， 對外接口為2 線串行接口， 用戶只需接收NMEA 字符串， 并按格式提取相應信息即可。

　　3. 3 處理器與傳感器

　　傳感器采用的是Analog Device 生產的一款三維重力加速度傳感器， 其型號是ADXL335, 此傳感器能精確的實時的測量三維方向上的加速的大小， 并量化成電壓值從3個接口輸出， 用戶只需測量這3 個電壓值的大小， 并通過特定的公式計算， 從而得知3 個方向上的加速度大小。系統采用3 路10 位的AD 對輸出的電壓進行采樣， 從而得到較為精確的電壓值， 并在處理器內部通過一定的算法，把這3 個電壓值換算成加速度值， 從而判斷物體是否發生運動。

　　4 系統軟件設計

　　系統的處理器為A RM7 處理器， 并采用ECOS 嵌入式操作系統, 所有的軟件都是基于ECOS 平臺進行開發的。系統的軟件架構如圖5 所示。最底層的是位于硬件層之上的驅動層， 包括GPRS、GPS、傳感器， FLASH 等一些驅動模塊； 再上一層就是操作系統層， 這些模塊都在ECOS 操作系統目錄下而被ECOS 調用； 位于操作系統之上的即為應用層。應用層包含了系統要求的各項功能： 系統初始化、GPS 追蹤定位、運動檢測、用戶命令處理等。

圖5  系統軟件架構

　　4. 1 追蹤定位過程

　　一般情況下， 系統處于休眠模式， 并偵聽喚醒信號的到來， 一旦接收到喚醒信號， 開始檢查物體是否被移動， 若沒有移動， 則仍然用以前的位置信息作為現在的位置信息， 一旦檢測到移動， 則馬上啟動GPS 模塊， 實時獲取當前的位置信息， 并覆蓋以前的位置信息， GPRS 再把新獲取的位置信息報告給上位機， 實現位置的實時跟蹤。

　　用戶是通過GPRS 遠程控制系統的工作狀態， 由于GPRS 不能一直處于網絡連接狀態， 用戶什么時候發起通信， 這些都是未知的。因此， 系統必須為GPRS 模塊設置一個工作狀態， 定時的開啟GPRS, 如果檢測到有新的信息傳來， 則讓GPRS 進入工作狀態， 接收并處理用戶發過來的命令， 如果沒有， 則繼續進入休眠狀態。處理完命令后， 更改并保存用戶新設置的參數， 系統按照用戶要求進入一個新的工作狀態。此過程的工作流程圖如圖6 所示。

圖6 GPRS 工作流程

　　4. 3 上位機部分

　　上位機主要功能是管理GPRS 終端設備， 通過T CP/IP 協議發送或接受數據包， 實現與終端的數據通信。上位機位于互聯網上， 具有獨立的IP 地址， GPRS 終端可以利用此唯一的的IP 地址尋找到上位機并發起通信。上位機開放特定的端口， 并一直對此端口進行偵聽， 一旦收到終端發過來的請求， 便建立連接， 并開始進行通信。

　　上位機的軟件流程如圖7 所示。

圖7 上位機流程

　　5 結束語

　　采用基于GPRS、GPS 雙網絡結合的防盜追蹤系統，相對于傳統的防盜監控系統， 不但能實現遠程實時監控的功能， 同時還能對于被盜設備能追蹤定位， 對被盜設備的找回提供準確的位置信息， 從而挽救財產降低損失。目前GPRS, GPS , Internet 都是應用的十分廣泛的技術， 采用這3 種技術的結合， 無疑是強強聯手， 發揮出更強大的功效。

　　市場需求也將十分巨大， 在各個行業的財產管理將得到充分應用， 因而具有廣泛的應用前景。

　　本系統的創新點： 1） 加入GPS 技術， 即使設備被盜很遠， 利用GPS 定位， 亦可追回， 亡羊補牢； 2） 低功耗， 采用先進的電源管理系統， 使功耗降到最低； 3） 兼容性好， 能應用于不同的工作場所， 實現不同設備的防盜追蹤。