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基于GPS/GSM/GPRS技术的车辆跟踪的智能手机应用系统
SeokJu Lee, Girma Tewolde, Jaerock Kwon
Electrical and Computer Engineering
Kettering University
Flint, MI, USA
摘要
设计并实现了一种有效的车辆跟踪系统，用于跟踪任何车辆在任何时间、任何地点的运动。 该设计所提出的系统很好地利用了一种将智能手机应用与微控制器结合的流行技术。与其他技术相比，这种很容易制造而且很便宜。所设计的车载设备使用全球定位系统（GPS）和全球移动通信系统/通用分组无线业务（GSM/GPRS）技术，这些是车辆跟踪最常用的方式之一。该装置嵌入在车辆中，位置信息是实时确定并跟踪的。 微控制器用于控制GPS和GSM/GPRS模块。 车辆跟踪系统使用GPS模块在一定的时间间隔内获取地理坐标。GSM/GPRS模块用于将车辆位置发送和更新到数据库。还开发了一种智能手机应用程序，用于连续监测车辆位置。谷歌地图API用于在智能手机应用程序中在地图上显示车辆。因此，用户将能够使用智能手机应用程序连续监测移动车辆，并确定车辆到达目的地的大概距离和时间。为了说明该系统的可行性和有效性，本文给出了车辆跟踪系统的实验结果和实际应用的一些经验。
关键词：车辆跟踪；微控制器；谷歌地图 API；智能手机应用程序； GPS/GSM/GPRS 技术；
一、介绍
车辆跟踪系统最初是为航运业实施的，因为人们希望知道在任何给定的时间内每辆车的位置。然而，如今，随着技术的快速发展，自动车辆跟踪系统正以多种方式被使用，以实时跟踪和显示车辆位置。本文提出了一种利用GPS/GSM/GPRS技术和智能手机应用的车辆跟踪系统，为用户提供更好的服务和有效的解决方案。
在图1的显示数据上，人们可以看到，智能手机拥有者的世界正在加速增长。因此，智能手机用户在总体人口中比普通手机用户更普遍。随着智能手机越来越普及，并在日常生活中被利用，它们对社会的影响也在持续增长。在智能手机使用中，这种加速增长的主要驱动力是大量应用程序的可用性，可以满足广泛用户的需求。在我们的项目中，我们开发了一个智能手机应用程序与车载跟踪设备。这两个部分共同工作，为用户提供方便，因为他们能够实时跟踪车辆位置。
图1 2011-2012年智能手机拥有量的变化。
从2011年到2012年，智能手机拥有者的数量增长了11%
车辆跟踪是所有车队管理系统中最基本功能的先决条件。车队管理是对公司运输车队的管理。车队管理系统旨在通过识别道路上的主要障碍物并在地图上跟踪其车队的实时位置来提高行业的质量和效率。大多数车辆跟踪系统是通过使用GPS/GSM技术设计的。在车辆跟踪系统中，车辆位置是最重要的部件之一。利用GPS技术可以提供地球上任意地方的位置和时间信息。
对于无线数据传输，通常采用GSM和SMS技术。通过GSM网络和GSM调制解调器的SMS技术为用户提供车辆位置信息。SMS技术的使用已经成为主流，因为它不需要太多的成本。这是一种方便可靠的高可靠性数据传输和接收方式。代替使用SMS，所提出的车辆跟踪系统使用智能手机应用来跟踪和监视从由微控制器控制的车载跟踪装置获得的车辆位置。车辆位置自动显示在谷歌地图上，这使得跟踪车辆更容易，并为用户提供更精确的车辆位置信息。
车辆跟踪系统的基本目的是跟踪特定的目标车辆或其他物体。跟踪装置能够传输关于车辆的当前位置及其速度等信息。大多数这样的跟踪系统由安装在车辆中的电子装置组成，并且可以用于跟踪摩托车、公共汽车和火车。本文提出的车辆跟踪系统具有以下特点：
- 利用GPS模块实时地从车载设备获取车辆的地理坐标和车辆的唯一ID。
- 使用GSM/GPRS模块在指定时间间隔后将车辆位置信息和车辆ID发送到Web服务器。
- 数据库设计用于存储和管理接收到的车辆的位置信息。
- 每当用户请求车辆位置时，它可以从数据库访问，并使用智能手机应用程序，在谷歌地图上进行实时监控。
二、相关工作
车辆跟踪系统被广泛应用于世界各地，如车辆位置跟踪系统、车辆防盗跟踪系统、车队管理系统和智能交通系统（ITS）。
2.1 公交跟踪系统
Lau在马来西亚吉隆坡思特雅大学提出了简单的公交车跟踪系统。该跟踪系统为学生提供固定路线内的公交车的位置信息。学生在使用LED面板和智能手机应用后，可以在规定的时间间隔内提供公交的状态。实时公交跟踪系统对那些在大校园的大学生来说是有益的。有了公交车追踪系统，他们可以花更多的时间学习、睡觉或放松，而不是等待一辆延迟的公共汽车。花更少的时间等公共汽车，也能提高学生的舒适和有效的时间管理。此外，巴士追踪系统有助于提高儿童的安全性时，校车也配备了该系统。
2.2 车辆跟踪防盗跟踪系统
防盗跟踪系统是防止或检测被认为有价值的设备未经授权的访问的一种方式。RAMADAN，Al Khedher和Al Kheder提出了一种基于跟踪系统的GPS/GSM技术的车辆跟踪和防盗系统的设计和实现，用于保护车辆不受任何入侵者的影响。该系统采用卡尔曼滤波器来减小位置误差，从而提高了位置确定的精度。当车辆发动时，车主接收到车辆正在运行的SMS进行信息确认。如果对车辆的访问是非法的，车辆的所有者可以发送SMS来关闭车辆。嵌入Google Earth的笔记本电脑用于跟踪和查看车辆在地图上的位置和状态。智能手机将是替代笔记本电脑工作的好选择。图2显示了提出的系统框图。
图2 系统框图
2.3 利用社交网络服务的车辆跟踪系统
基于Twitter和Facebook等社交网络服务的车辆跟踪系统引起了许多用户的兴趣。每个车载设备都具有Twitter社交网络的账号，并且可以定期识别社交网络中的车辆位置。Web界面用于显示在谷歌地图上的车辆位置，以及类似门打开/关闭和点火开/关的车辆的状态信息。此外，用户可以从Web界面向车辆设备发送命令，以重新启动车辆或关闭车辆。由于智能手机具有可用的社交网络服务，因此可以更容易地从智能手机访问所提议的系统。因此，该系统将利用社交网络和智能手机的用户使用变得更加高效，它们能对车辆的位置和状态进行快速监控。
三、实现细节
在由微控制器控制的车辆跟踪系统的开发中，需要硬件和软件设计技术。
3.1 Arduino微控制器
基于ATMEGA328的ARDUINO UNO R3微控制器作为主控来控制车辆跟踪系统。Arduino Shields用于GPS和GSM/GPRS模块。用C语言编写一个控制软件程序，编译后保存到单片机的闪存中。
3.2 GPS模块
车辆跟踪系统中的全球定位系统通常用于向用户提供地球上任何地方的位置坐标、速度、时间等信息。在这项工作中，采用一个GPS模块和一个从Sparkfun网站提供的GPS接收器来实现车载设备。GPS模块具有带有天线的GPS接收机。有两个滑动开关和一个按钮开关。
GPS模块如图3所示。在图3中，（1）是用于UART和DLINE选择的开关。当选择DLINE时，GPS模块中的RX和TX将分别连接到微控制器数字引脚2和3。如果选择UART，GPS模块中的RX和TX将分别连接到微控制器数字引脚0和1。在这项工作中，GSM/GPRS模块中的TX和RX使用微控制器数字引脚2和3。因此，GPS开关1必须设置到UART位置，否则，如果选择DLINE位置，其数字引脚将与GSM/GPRS模块重叠。即使在选择UART时，当试图将程序代码上传到ARDUINO时，用户也会在微控制器中看到错误消息，因为UART使用相同的PIN号来编程，但没有任何东西会被损坏。由于这些原因，GPS模块应该在上载源代码之后选择UART位置中的开关。在图3中，（2）是GPS接收机。获取位置信息是必需的。GPS接收机模块采用二十路EM-406A SIRFⅢ接收机。
图3 GPS模块
（1）UART和DLINE选择开关 （2）GPS接收机 （3）复位开关 （4）电源开关
一旦微控制器和GPS模块组装完毕，GPS模块可以获取车辆的位置信息。TinyGPS库用于与GPS模块通信并访问数据。 EM-406的工作速度为4800 bps，但如果用户使用其他类型的GPS，他们应该为他们的特定设备确定正确的波特率。
3.3 GSM/GPRS模块
GSM / GPRS模块负责通过GSM / GPRS网络使用TCP / IP连接在车载设备和远程服务器之间建立连接，以传输车辆的位置信息。
3.3.1 硬件
微控制器的蜂窝屏蔽罩包含将微控制器与SM5100B蜂窝模块接口所需的所有部件。GSM / GPRS上的SM5100B芯片是一款紧凑型四频蜂窝模块。SIM卡和蜂窝天线对于GSM / GPRS模块的功能至关重要。AT＆T生产的SIM卡需要足够的数据量进行测试。GSM / GPRS模块和蜂窝天线通过Sparkfun网站购买。如图4所示，一个GSM / GPRS模块，一个SIM卡（预付费或直接从你的手机）和一个蜂窝天线来实现所提出的车辆跟踪系统。
图4
Serial.begin（）命令用于设置串口的每秒位数（波特率）的通信数据速率。
Serial.begin(9600)
为了与计算机通信，SM5100B蜂窝模块的工作速度为9600 bps。 当GPRS模块开启时，微控制器会回应以下用于检查操作条件以及SIM卡是否连接的消息。
SIND : 1 （SIM卡插入）
SIND : 10,”SM”,1”FD”,1,”LD”,1,”MC”,1,”RC”,1,”ME”,1 （SIM准备）
SIND : 11 （GPRS 注册到网络）
SIND : 3 （可以通话）
SIND : 4 （可以SMS通信）
3.3.2 AT命令
调制解调器等设备使用所谓的AT命令与其他设备进行通信。 AT命令用于控制SM5100B上的TCP / IP。 TCP / IP的AT命令及其SM5100B的参数可以在[17]中找到。 AT命令语法如下。
ATlt;commandhellip;gt; lt;CRgt;
几乎每条命令行都以AT开头，接着是一个或多个命令，并以回车（CR）字符结束。 第一步是将GPRS连接到网络。 因此，微控制器发送以下命令附加到GPRS网络。
AT CGATT=1
下一步是设置或编辑分组数据协议（PDP）上下文参数，例如接入点名称（APN）。 使用正确的APN非常重要（例如，服务提供商AT＆T的wap.cingular）。 否则，SIM卡将不被允许连接到网络。当通过网关在GPRS模块和移动网络之间传递信息时，APN需要访问互联网。 该命令如下所示：（APN由网络服务提供商提供。）
AT CGDCONT=1, “IP ”, “APN ”
网络服务提供商（AT＆T）提供用户名和密码来授权网络连接。 下一步是使用用户名（WAP@CINGULARGPRS.COM）和密码（CINGULAR1）从网络服务提供商处获得授权。 该命令如下所示：
AT CGPCO=0, “ user name ”, ” password ”, 1
下一步的命令用于激活PDP上下文。
AT CGACT =1,1
3.4 HTTP通信
HTTP通信通常通过TCP / IP连接进行。 HTTP服务器的标准端口为80.为了通过Internet发送数据，需要建立套接字连接。 在这项工作中，套接字对于使用我们的服务器非常有用，它使用户能够建立用于发送数据的TCP套接字连接。该套接字具有三个主要特征：协议，IP地址/主机名和端口号。 命令“AT SDATACONF”和“AT SDATASTART”分别用于配置远程主机和端口，并打开用于TCP连接的套接字。 这些命令如下所示：
AT SDATACONF=1, 'TCP', 'Server address', 80
AT SDATASTART=1,1
第一个参数表示传输协议类型（TCP / UDP），第二个参数表示Web服务器的IP地址/主机名，最后一个参数表示端口号。当建立与服务器的连接时，微控制器已准备好将位置信息发送给服务器。 SM5100B的AT命令有两种不同的方式发送位置信息。在这项工作中，使用命令“AT SDATATSEND”而不是“AT SSTRSEND”。该命令“AT SSTRSEND”由换行符终止（回车和换行）。相反，命令“AT SDATATSEND”不会将字符解释为任何类型的控制代码。首先，该命令需要为GSM / GPRS模块提供我们发送的数据包的长度。然后，我们应该等待模块中的gt;字符告诉我们它是否准备好发送数据包。一旦准备就绪，我们传输数据包并用Ctrl Z字符（0x1A）终止它。该命令的最初部分如下所示：
AT SDATATSEND=1, “ String(packet length) ”
3.5 Web服务器和数据库
免费的网络托管服务用于网络服务器构建。 一个网页由简单的PHP组成，可以直接连接并操作数据库表。命令“mysqli_connect”用于建立到MySQL数据库的连接。命令语法是：
$con = mysqli_connect($hostname, $username, $password)
建立连接后，通过使用PHP函数“mysqli
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