1、第 34 卷 (2006) 第 2 期 计算机与数字工程 8 7 基 于 GPS 、 GIS 、 GSM 技 术 的 监 控 系 统的 设 计 和 实 现段红清(武汉数字工程研究所 武汉 430074)摘 要 :结合基于 GPS、 GIS、 GSM 技术的监控系统的工作原理 ,提 出 了 监 控 系 统 的 设 计 方 案 框 架 ,主 要 讨 论 了 监 控 终端 、 监控中心软件的设计和实现 。关键词 : GPS GIS GSM 监控系统中图分类号 : TP273Design and Implementation of Supervision and Control System Ba s
2、ed on GPS , GIS , GSMDuan Hongqing(Wuhan Digital Engineering Institute ,Wuhan 430074)Abstract :This paper discusses the principle of supervision and control system based on GPS、 GIS、 GSM ,puts forward its design idea , expatiates the design and implementation of monitor terminal ,and monitor softwar
3、e .Key words :GPS , GIS , GSM ,supervision and control systemClass number :TP273随着计算 机 科 学 技 术 的 发 展 ,“位 置 信 息 的 需求变得 更 加 重 要 ( 80 %) , GPS ( 全 球 卫 星 定 位 系 统 ) 、 GIS (电子地理信息 系 统 ) 、 GSM ( 全 球 数 字 移 动 系 统 ) 技术之间 的 联 系 越 来 越 紧 密 ,这 种 “3 G技 术 已成为位置信息服务的坚实技术基础 。本 文讨论的 监 控 系 统 就 是 基 于 GPS 、 GIS、 GSM 技术的
4、、 并是一种极有发展潜力的应用系统 。 阐述 了 监控系统的 组 成 、 监 控 ( 移 动 / 固 定 ) 目 标 终 端 的 硬 件构成 及 监 控 中 心 软 件 系 统 组 成 的 解 决 方 案 。 这种监控系统已经被广泛应用到物流配送管理 、 车 辆与船舶监控调 度 、 公 安 与 交 通 指 挥 和 监 控 、 军 事 上的导航定位 、 环境中的水 、 气 、 噪声污染源监督监 测 、 紧急报警服 务 等 诸 多 领 域 ,并 显 示 出 巨 大 的 技 术 、 经 济 、 社 会 效 益 。 随 着 应 用 的 深 入 和 集 成 技 术 的发展 ,它将更大地影响到人们的生活
5、。1 监 控 系 统 的 组 成 及 工 作 原 理根据系统的需要 ,本系统由三个部分组成 :1 . 1 监控终端包 括 GPS 卫 星 导 航 定 位 数 据 接 受 及 处 理 系 统 、 GSM 移动通信 模 块 、 环 境 数 据 采 集 系 统 和 信 息显示系统等 。 它既可以方便地安装于车辆 、 船舶等 移 动目标之上 ,也 可 以 安 装 到 重 要 的 固 定 点 上 ( 如 环境检测点 ) 。1 . 2 监控中心包括 GIS 地理信息平台 (电子地 图 ) 、 GSM 移 动 通 信模块 、 数据库 服 务 器 ( 存 放 监 控 目 标 的 基 本 信 息和环境采集信息
6、) 等 。1 . 3 GSM 移动通信网络它作为监控中心与监控终端通信的中介 ,监控 系统无需建设大量基站 ,而是直接利用电信部门已 建的 GSM 基站 。1 . 4 系统工作原理将任何装有监控终端的监控目标的动态位置 ( 精度 、 纬度 、 高度 ) 、 时间 、 状态等信息和温度 、 流量 、 压 力 等 环 境 信 息 ,实 时 地 通 过 GSM 移 动 通 信 网 络 传 至监控中心 ,而 后 在 具 有 强 大 地 理 信 息 处 理 、 查 询 功能的电子地 图 上 进 行 监 控 目 标 运 动 轨 迹 的 显 示 ,并 能 对 目 标 的 准 确 位 置 、 速 度 、 运
7、动 方 向 、 监 控 目标状态等用户 感 兴 趣 的 参 数 进 行 监 控 、 查 询 、 报 警 ;监 控 中 心 则 通 过 GSM 移 动 通 信 网 络 向 监 控 终端发送各种监控调度命令 。第 34 卷 (2006) 第 2 期 计算机与数字工程 8 7 收到本文时间 :2005 年 5 月 23 日88 基于 GPS、 GIS、 GSM 技术的监控系统的设计和实现 第 34 卷系统中各组成部分之间的关系如图 1 所示 :图 1 监控系统结构框架2 监 控 终 端 的 硬 件 构 成监 控终端 由 GPS 模 块 及 接 口 电 路 、 GSM 通 信 模块及接口 电 路 、
8、显 示及键盘模块 、 多 种 传 感 器数据采集 模 块 、 开 关 控 制 电 路 及 微 控 制 处 理 单 元 等 硬 件 组 成 。 其结构如图 2 所示 。2 . 1 GPS 功能模块GPS 功 能 模 块 能 直 接 接 收 导 航 卫 星 的 原始数据 ,计 算 出 自 身测 量 值 ,其 格 式 如 D = XXXX 表 示 压 力 值 。 (可 选 )2 . 2 GSM 功能模块GSM 模 块 采 用 芯 片 是 CMS91 的 OEM 板 , CMS91 芯片还具有 GPRS 功 能 ,因 此 信 息 传 输 可 采 用短信文本或 TCP/ IP 协 议 ,现 阶 段 根
9、据 实 际 情 况 我 们基 于 短 信 文 本 传 输 协 议 开 发 。 传 感 器 信 息 、 GPS 信息都基于此协 议 并 通 过 GSM 模 块 发 送 到 监 控中心 。该 OEM 板 的 数 据 通 信 接 口 为 通 用 的 RS232 , 非常方便 嵌 入 式 终 端 的 前 期 开 发 。 可 使 用 AT 命 令集进行操作 。2 . 3 键盘输入和显示功能模块系 统 键 盘 主 要 提 供 给 终 端 操 作 人 员 对 监 控 终 端 的控制 , 利 用 键 盘 中 断 可 直 接 得 到 按 下 的 键 盘 值 ,系统根据该 值 实 现 命 令 处 理 。 采 用
10、4 4 的 键 盘来实现命令输入 。显 示 模 块 采 用 16 2 的 字 符 显 示 方 式 显 示 GPS 数据 、 采集信息及监控中 心 下 传 的 命 令 。 显 示 模块控制器为 HD44780 。2 . 4 多种传感器数据采集主 要采集温 湿 度 、 频 率 振 动 、 压 力 和 环 境 保 护的位置 ,其核 心 是 瑞 士u - blox 公 司 的 TIM -图 2 监控终端硬件结构图 等 方面的数据 。 传 感 器 件 的 选 择 也 是 基 于 模 块 化 的 ,集 成 了 传 感 元 件 、 A/ D 转 换 电 路 、 控 制 电 路 等 ,LC ( GPS Rec
11、eiver Module) 的 OEM 板 ,其接口可为 RS- 232 或 TTL 电 平 , 可 直 接 与 MCU 相 连 接 ( 采 用 RS232 接口只需在 GPS 模块 和 MCU 之 间 加 上 一 个 电 平 转 换 芯 片 ) 。 该 OEM 板 在 3 . 15 5 . 25V 的 范 围内均能工作 ,因此可由终端板统一供电 。本 GPS 功 能 模 块 有 多 种 符 合 NMEA0183 协 议 的信息语句格式 ,本系统采用 GPGGA 语句格式 ,通 过解析后上传到监控中心的短信格式如下 : GPGGA 、 , , , , , UTC 时 间 , 其 格 式 与 N
12、MEA0183 协 议GPGGA 语句格式相同 。纬 度 ,其 格 式 与 NMEA0183 协 议 GPGGA语句格式相同 。纬度方向 N 或 S经 度 ,其 格 式 与 NMEA0183 协 议 GPGGA语句格式相同 。经度方向 E 或 W测 量 值 , 其 格 式 如 T = XXXX 表 示 温 度 值 。 (可 选 )88 基于 GPS、 GIS、 GSM 技术的监控系统的设计和实现 第 34 卷而且接口标准通用 ,这样的传感器更容易嵌入到一 个 终端设备上 ,同 时 它 们 与 MCU 连 接 电 路 非常 简 洁而且抗干扰能力较强 。2 . 5 开关控制电路当监控终端接收到监控
13、中心的命令后 ,开关控 制电路通过继 电 器 的 开 启 、 闭 合 操 作 ,实 现 对外 部 相关设备的控制 。2 . 6 微控制处理单元MCU 是 终 端 的 控 制 中 心 , 本 系 统 采 用 MI2CROCHIP 的 PIC18F452 芯 片 。 这 是 一 款 高 性 能 的 RISC MCU ,其芯片内的 FLASH 程 序 存 储 器 达 32 K , 数 据 存 储 器 达 1 . 5 K , 它 的 指 令 执 行 速 度 最 高 达10MIPS ,数据宽 度 为 8 位 ,指 令 宽 度 为 16 位 , 具有 多 重 中 断 及 中 断 优 先 级 ,同 时 还
14、带 有 8 8 的硬 件 乘法器和非常丰富的外围功能模块 。3 监 控 中 心 的 软 件 设计3 . 1 监控中心的组成监控中心 由 PC 机 和 西 门 子 GSM Modem 、 GPS监 控中 心 软 件 等 组 成 。G SM Modem ( 含 天 线 ) 用于第 34 卷 (2006) 第 2 期 计算机与数字工程 8 9 短消息的收发 ,监控中心软件负责监控目标的监控 管理以及监控目标位置在 GIS 系统上的显示等 。3 . 2 软件系统开发环境要求(1) 操作系统 :WONDOWS 2000 (2) 开发工具 :Delphi 7 . 0(3) 地理信息系统 :Mapinfo
15、7 . 0 (4) 数据库 : Sql Server 2000(5) 开发控件 :地理信息系统开发控件 :Map X 5 . 0COM 口控件 (读 、 写 、 初始化 ) : SPCOM短信二次开发 OCX 控件 (读 、 写 、 初始化 )3 . 3 软件系统功能设计(1) 应用 (客户 ) 业务设置监控目标的图案 (汽车 、 船舶等 ) 设置监控目 标 的 的 属 性 设 置 ( 最 多 10 个 属 性 ) ,例如 :属性 1 (唯一 ) :如车辆 属性 2 :如牌照等等 。监控内容的设置 (允许 0 10 个监控内容 ) ,例如 :监控内容 1 :如温度 监控内容 2 :如流量等等应
16、用 (客 户 ) 业务设 置 需 要 有 一 定 的 权 限 ,一 般操作人员不允许进入(2) 输入功能监控目标属性的输入 、 修改监控内容的标准值输入 、 修改利用 “短信二次开发 OCX 控件 ”开发通信 服 务软件 ,负责短消息的接收和发送(3) GIS 功能图层控 制 功 能 。 根 据 需 要 自 动 载 入 地 图 功 能地图放大 、 缩小 、 移动等功能直线 、 折线 、 面积的计算功能绘图功能查询功能鹰眼功能(4) 监控功能监控目标的呼叫 、 停止管理监控目标的图案 、 监控内容显示监 控 目 标 的 监 控 内 容 超 出 该 监 控 内 容 的 标 准值范围 ,进行报警回放
17、功 能 ,例 如 ,给 出 某 段 历 史 时 间 ,回 放 监 控目标的监控内容的显示图 表 功 能 ,例 如 某 个 监 控 目 标 的 某 个 监 控 内 容 ,在一段时间内形成图形4 结 论本系统具有如下优点 :(1) 系统应用面广 :系统可用于物流配送 管 理 、 车辆与船舶监控 调 度 、 公 安 与 交 通 指 挥 和 监 控 、 军 事上的导航定位 、 环境中的水 、 气 、 噪声污染源监督 监测 、 紧急报警服务等诸多领域 。(2) 系统功 能 齐 全 : 具 有 地 理 信 息 系 统 的 基 本 功 能 ,既可对移 动 目 标 的 位 置 跟 踪 ,又 可 对 监 控 目
18、 标的温度 、 流量 、 压力等环境参数监测 。(3) 系统通用性强 :系统针对不同的应用 ,只 要 重新设置应用 (客户 ) 业务文件 ,就可以满足不同的 应用需求 。(4) 系统投 入 设 备 成 本 低 : 监 控 中 心 采 用 价 格 低的 GSM Modem ,无需 申 请 专 用 频 率 及 建 设 基 站 , 从而节省基站投资及减少基站设备维护量 。(5) 系统覆 盖 范 围 大 : 只 要 能 使 用 手 机 的 地 方 均能发送 、 接收短信 。本系统还存在如下问题 :(1) 系统应用规模的大小与当地移动通信 短 信 平台的短信容量有关 。(2) GSM Modem 需要安
19、装 SIM 卡 ,发送 、 接收短 信 的费 用 与 手 机 一 样 , 按 每 个 监 控 目 标 每 天 运 行10 小 时 ,每 30 秒 发 送 一 次 GPS 信 息 ,每 条 短 消 息 收费 0 . 05 元 (中国移动集团公司的 优 惠 收 费 标 准 ) 计算 ,一个监控目标一天需交给移动 公 司 60 元 ,每 月 1800 元 , 运 行 成 本 较 高 。 因 此 , 有 待 继 续 开 发 GPRS 通信方式 。参 考 文 献1 马俊 海 , 黄 明 . 车 载 监 控 系 统 中 GPS GIS GSM 的 应 用J . 测绘通报 ,2002 , (10)2 唐俊英等 . 基于 SMS 的监控与数据采集系统的设计 J .邢台职业技术学院学报 ,2004 ,21 (3)3 程德元 ,高伟 . 3 G 移动终端设计说明 ,内部资料
