基于GPRS和基站定位的城市公交监控装置

摘  要： 分析了基站定位相对于GPS定位在城市公交终端应用中的优势，介绍了基于GPRS和基站定位的公交监控装置设计，并着重阐述了基于ARM嵌入式系统平台的监控装置的技术实现。
关键词： GPRS；基站定位；SIM900；嵌入式系统

    随着经济发展以及城市人口快速增长，城市公共服务设施和基础设施面临巨大考验。作为承担着城市基础运营的公交系统，其高效的运营和服务将很大程度上解决城市交通问题。
    本文设计了一个基于GPRS[1]和基站定位的公交监控装置。该装置将采集到车辆运行中的相关数据进行融合后通过GPRS网络发送至监控中心，同时接收监控中心下发的相关指令，实现对公交车辆的定位和监控。本设计在完成总体设计的基础上，完成了装置的软、硬件设计和实现。
1 GPS定位与基站定位的比较
    基于GPS的定位系统在天气不佳时，特别在高架桥下、高楼边角和隧道等地，其定位效果会受到相当大的影响，甚至无法进行定位。而在这种情况下往往最容易发生交通阻塞，最需要准确定位和调度服务发挥效用。GPS加其他辅助手段的定位方法虽然可以提高定位精度，但却提高了设备成本和运营维护成本[2]。而基站定位不但能耗低，不受天气、高楼的影响，且在人口越密集的地方，基站往往越多，定位更准确；而在基站少定位不准确时，还可利用公交线路相对固定的特点通过软件改善来修正定位信息。
2 总体方案
    本设计采用基于ARM9处理器[3]的嵌入式系统，利用Linux操作系统，开发具有定位追踪功能的监控装置。该嵌入式平台资源丰富,技术成熟,有良好的可扩展性，在需要时能进行功能模块的添加和升级。装置采用S3C2440为主控制器，外扩Nand Flash用于程序存储器，SDRAM为内存，LCD和按键作为人机交互接口，配合带有基站定位功能的GPRS模块SIM900，实现采集公交车位置、车厢温度、乘客人数、运行速度等信息，并通过GPRS网络将采集到的信息传送到监控中心，同时接收监控中心的下行指令。
3 硬件设计
3.1 微控制器模块
    S3C2440是三星推出的一款基于ARM920T内核的16/32 bit RISC嵌入微处理器，集成了丰富的片上资源，在开发过程中可以减少外围的设备部件，以降低系统的成本。本设计使用2片HY57V561620FTP作为SDRAM，使用的Nand Flash为K9F1G08芯片。
    微控制器通过异步接收/发送装置UART2和SIM900进行数据交换。其中，SIM900的引脚RXD用于接收由S3C2440的引脚UART2_TXD传出的数据，数据最终由SIM900发出；引脚TXD用于向S3C2440的引脚UART2_RXD发送数据。
    RS485总线是一种常见的串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力。在一些要求通信距离为几十米到上千米、多节点的系统中有着广泛的应用。S3C2440的UART1通过RS485转化电路形成485总线。如图1所示，温度传感器、公交读卡器和报站器都接在485总线上，在系统运行时，微控制器将采用问答形式获得公交中的温度、人数以及站点等数据。

3.2 GPRS模块
    SIM900是SIMCom推出的一款新型无线四频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器。SIM900采用工业标准接口，同时支持标准的AT命令。本设计采用的SIM900带有基站定位功能，定位信息通过AT指令获得。
    设计中设置S3C2440的通用I/O口GPB8为输出，上电后通过把SIM900的PWRKEY信号拉低一段时间然后释放来启动GPRS模块。在SIM900模块内部，PWRKEY引脚通过100 kΩ电阻上拉到3 V电压域。为了防止PWRKEY与微控制器I/O口直连导致串电，在模块与微控制器I/O口间采用三极管隔离，增强了开关可靠性。
    图2为SIM900与SIM卡的连接原理图。为了增强SIM卡部分的可靠性，SIM卡的所有信号线都通过连接TVS二极管来做静电(ESD)防护。设计中采用ESDALC6V1芯片作为ESD保护。SIM卡电源引脚SIM_VCC并接220 nF电容，以稳定电源输出，减小波纹。在PCB布局时，应使SIM卡卡座尽量靠近模块，图2中的电容、ESD等器件放置也应靠近SIM卡座。

3.3 电源模块
    该系统硬件设计的关键在于电源部分。SIM900工作在3.4 V～4.5 V之间，由于模块射频发射时电流的峰值最高会达到2 A以上，可能导致供电电源电压跌落。因此，电源供电能力要尽可能达到2 A，以保证电压不会低于GPRS模块的工作电压。设计中选择可调输出电压芯片LM2576，LM2576输出电压范围为1.2 V～37 V，瞬间可以通过的最大电流达到3 A，符合电路要求。电源模块电路如图3所示。S3C2440控制器模块需要的1.25 V、1.8 V和3.3 V电源都由LM2576提供的5 V电源转化输出，如图4所示。为了增强模块电源抗干扰能力（主要抗浪涌、脉冲群、静电等），避免在外界环境比较恶劣的情况下出现模块供电异常，在外部电源输入端并入470 μF和0.1 μF电容，在VBAT供电芯片输出端并入470 ?滋F电容，以滤除干扰。

      SIM900模块从上电到注册网络期间，射频发射功率相对偏高。VBAT供电的长走线、窄线宽，或者稳压电容离VBAT引脚较远，会导致在模块上电后的一段时间内，VBAT上耗流、纹波增加，电源电压跌落很大。因此在PCB布局时，VBAT上的旁路电容应尽量放在对应管脚附近。为降低PCB走线阻抗，VBAT走线应尽量宽、尽量短，最好大面积铺地。
    在考虑VBAT设计的同时，也要重点关注GND设计。GND整个回流路径的长短以及阻抗的连续性是电源跌落及音频干扰的主要原因。因此，把模块GND、电池座GND、电源适配器GND、相互间GND以一块完整的铜皮相连接，在有结构、板层限制，无法大面积铺铜皮处，用2 mm以上走线单独连起来再覆铜，以保证GND的完整性。另外，整个PCB板应尽量多打地孔，电源和地的回流路径越小越好。
4 软件设计