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低成本通用跟踪定位系统的设计与开发
摘要
在本文中，提出了通用跟踪系统的设计和开发，其中车辆通过使用现行的蜂窝技术跟踪和控制。该系统包含GPS接收器和与微控制器连接的GSM调制解调器。为了追踪任何车辆，车主必须向安装在车内的跟踪系统发送短信。微处理器收到短信后，从GPS接收机获取当前位置的经度和纬度坐标，将其打包成SMS，并使用GSM调制解调器将其发送给所有者和Web服务器。当Web服务器收到包含车辆坐标的SMS时，它会在Google地图上显示车辆的位置。对于Android用户来说，该位置也显示在一个Android应用上。在车辆盗窃的情况下，业主能够简单的通过发送短信来关闭主点火开关，检查车辆的状态和速度。该系统还配有专用的停放车辆安全按钮。通过打开按钮，系统将进入激活模式，并在执行正常任务的同时对车辆的运动进行特别检查。如果系统在激活模式下感测到车辆的任何移动，则会将主点火关闭，并立即发送5条短信通知所有者。网络服务器会持续管理每个车主拥有车辆账户的用户的车辆运动的记录信息。在本次设计中，我们采用了一系列技术如全球定位系统（GPS），全球移动通信系统（GSM）和微控制器等技术，但我们采用的技术并不仅局限在列举的这些技术
关键词：全球定位系统（GPS），全球移动通信系统（GSM），微控制器，短消息服务（SMS）
1引言
全球定位系统（GPS）在位置感知应用中起着重要的作用。全球定位卫星网络已经为用户提供了许多服务和应用，特别是在跟踪定位领域方面的应用。它可以用于测量旅行中行驶的距离、车辆里程、速度以及保留驾驶活动的记录（包括达到的每个目的地的地址和停留时间）等服务。目前，市场上已经存在很多跟踪定位系统，但是由于成本因素，大多数服务仅限于少数用户。随着基础设施的完善，导航系统的应用进一步扩展，未来的定位系统将具备以下几个特点：可扩展性，完整性，可移植性强，可靠性高，精度高和不间断服务等。
有趣的是，尽管市场上存在一些GPS设备，然而与其所提供的性能相比，它们的成本很高，性价比较低。因此，这些系统过高使用成本刺激了便宜和高性能系统的设计和开发。
根据巴基斯坦电信管理局（PTA）2013年的报告，巴基斯坦的移动电话用户超过1.9660亿，移动互联网用户（GPRS，3G和WAP）超过1440万，对于基于GPS和GSM的跟踪定位系统的开发者来说这是一个巨大的市场。目前已经存在的很多跟踪系统设备由于太昂贵而不能被利用，其次它们不符合用户友好的特点，而且没有利用移动设备提供跟踪的能力。因此，这些系统的客户需要购买额外的设备才能获得跟踪服务。此外，在大多数情况下，用户没有权限跟踪自己的车辆，只能咨询公司间接跟踪自己移动资产。这种服务延迟大，足以让盗贼成功地掠夺资产，系统的可靠性较差。相反，手机用户可以轻松连接到在互联网上，如果利用手机提供GPS跟踪的应用程序进行实时的数据查询，将有效的保护车主的财产。因此市场需要开发一种低成本，性能强大和可靠性高的GPS跟踪设备，为客户的移动资产提供安全保障并实时对其进行跟踪定位。
本文的第2节与第3节将介绍本次设计的意义与相关技术的现状，在第4节中将详细介绍系统的设计方案，在第5节中进行实验结果与分析，最后在第6节中对本文进行总结。
2相关工作
由于对安全的需求日益增加，一些跟踪定位系统已经被提出与设计。作者也提出了一种有效可实现的移动资产跟踪方法，目的是开发一种能有效的改进移动资产跟踪定位的方案，并通过情景感知个性化的路线学习技术手段动态调整跟踪方案节省宝贵的移动资源。因此一种基于光传感器的室内位置和导航信息传输系统已经被提出。
本文提出的跟踪系统的实现包括对系统的理论解释以及硬件系统及其工作原理的介绍。在软件算法方面，作者介绍了基于超紧密配置的完整性监控算法。他们还使用基于超紧凑滤波器的卡尔曼滤波器残差来查找测试统计。
在本文中，作者推荐并实施低成本GPS跟踪系统。该系统能够为用户提供实时监控，但由于使用GPRS和SMS网关，因此无法成为独立的跟踪系统。作者提出了无处不在的车辆跟踪和管理系统，它们提供两种类型的最终用户应用程序，Web应用程序和移动应用程序。但是，两种应用程序都是利用SMS网关来发送消息和利用GPRS将数据上传到互联网上。然而这种方案的可靠性较低，如果SMS网关和GPRS被阻止，系统可能会崩溃。因此该系统的关联程度高，不是完全独立的。
用于跟踪的无线传感器网络，其移动单元和传感器节点之间的通信依赖于IEEE802.15.4 / Zigbee协议。这种工作方式的缺陷是缺乏硬件系统以及Zigbee协议的短通信范围。
作者介绍了车辆安全自我跟踪系统的设计，开发和评估。他们使用三个压电发生器（PG）在悬臂梁配置调整到测试车辆的主要频率。但是，他们没有制定硬件系统以及系统的管理。作者讨论了Google地图中GPS轨迹的精度提高。他们设计了一个基于Android的跟踪系统，以显示不同报告间隔的地理合适效果和传输成本。
3.现状及意义
由于经济的增长，移动资产的总体数量也在不断增加。然而，实时定位的跟踪系统的发展仍旧是发展的短板。虽然车辆跟踪系统已经在市场上使用了一段时间，但它们大多是应用于特定的区域且价格昂贵。目前已经推出了对下一代GSM系统的增强，以迎合快速的数据中心流量，后端兼容性仍然保持不变。
跟踪系统中出现的一个根本问题就是其成本问题。为了解决这个问题，在无线传感器网络（WSN）中仅使用RF信号的无GPS定位算法用于估计节点位置也是可能的，但是它们可能导致严重的距离误差。此外，有限和便携式电池电源是无线传感器网络的瓶颈。因此，这不能用于长期、独立和可靠的跟踪系统。这些原因是开发低成本GPS跟踪系统来提供比现有跟踪系统更优质服务能的主要因素。
4.系统设计
基于GPS和GSM的车辆跟踪系统（VTS）是通过探索各种最新技术的应用来克服交通组织，车辆盗窃和监视的问题而开发的。这是一个相关性好，灵活有效的系统，以提高车辆安全和跟踪。我们正在研究一种关于机器间语言交流的M2M通信。我们的系统使机器能够与信息系统或其他机器进行通信并提供实时数据。 无线信息链路通过请求或以预定间隔的数据传输将用于监视和管理。我们提出的系统的工作流程图如图2所示。
4.1、全球定位系统（GPS）
GPS已经成为科学研究、商业工程、监控和跟踪领域的有效工具。GPS使用三边测量过程来计算物体的位置。在我们的系统中，GPS是获取坐标的关键组成部分。我们在系统中使用的GPS设备的详细参数将在下面的小节中给出。
4.1.1、GPS模块EM406-A
我们已经从Sparkfun获得了可以使用的GPS接收机EM-406A模块。该设备及其引脚配置如图3所示。该GPS模块在通电时等待来自太空中至少3个轨道卫星的信号。在成功接收信号后，使用三边测量方法计算出坐标，如图1（b）所示。我们使用Proteus 、Windows Hyper Terminal，Virtual ComPort和GPS Generator PRO等软件进行硬件仿真，这些接口以及这些仿真工具的软件集成如图4所示。
EM406-A的一些重要特征如下：
bull;内置天线的20通道接收器：灵敏度= -159dBm，精度= 5m，波特率= 4800；
bull;功率= 44mA，直流操作= 4.5-6.5，NMEA 0183和SiRF二进制协议（$ GPRMC）；
bull;热启动= 1秒，暖启动= 38秒，冷启动= 42秒。
4.2、全球移动通信系统（GSM）
在我们的工作中，GSM基本上保证了移动资产以及服务器数据的更新。GSM模块使用预定义的时间间隔向车主发送报告短信，该时间间隔可根据实际情况进行设置。此外，GSM模块还对车辆所有者在认证后发送的任何SMS进行响应。车主可以一次向GSM模块询问位置，速度，水位，运动状态，发动机水平，地理极限等指令信息。简而言之，车主可以通过短信就能查看车辆的状态，也可通过短信来转动控制车辆状态。车辆的坐标也会被连续的发送到一个天候运行的独立服务器中并存储下来，方便客户的查询。
对于手机用户，他们可以简单地通过短信向安装在车内的系统发送查询和控制指令。系统在接收到短信后，将反馈回包含对象纬度和经度的消息。在执行实施的指令之后，并且在Google Maps的帮助下，服务器将向跟踪系统发送关于所请求的位置名称的SMS。跟踪系统在此期间还将能够通过为每个查询分配ID来进行多个查询。如果用户具有智能手机，则跟踪系统将向所有者智能手机发送短信，并且在接收到该SMS之后，坐标将被绘制在基于Android的自开发应用上，而不需要互联网上查询数据。下面给出的算法定义了在移动电话用户要求查询对象位置的情况下系统将如何工作的方法
算法1：GSM / SMS操作
if (SMS received) then
if (user is authenticated) then
if (user ask for location) then
if (user has a smart phone) then
1. s-query.ID = id of mobile number in database
2. ask server for location name and send SMS to user
3. send SMS to display location on Google Maps in ownerrsquo;s Android Application
else
1. query.ID = id of mobile number in database
2. ask server for location name and send SMS to user
endif
endif
endif
endif
4.2.1、GSM调制解调器SIM900-D
我们从SIMCOM 获得了GSM调制解调器SIM900-D模块。该设备及其引脚配置如图5所示。 SIM900-D的一些重要特征如下：
bull;频率=（850，900，1800，1900）MHz
bull;电流= 40 mA，电压= 3.2-4.8 V
bull;短信发送/接收，语音电话，支持GPRS，波特率= {4800，9600 ...}
4.2.2、安全按钮
我们的系统配备了一个特殊的安全按钮，它将安装在驾驶员座位附近的隐藏的地方，使得只有车辆的驾驶员或车主知道按钮的位置和功能。停车时，用户可以打开此按钮，以提供安全性的全面提升。打开此按钮后，跟踪系统将进入活动模式，以保持资产的安全性。在活动模式下，跟踪系统将知道车辆停放或处于无运动状态，因此应具有几乎0 mph的速度，同时考虑GPS与地球的不确定性相对旋转。如果物体的速度超过预先定义的阈值，系统将感测到运动，并将立即警告所有者。系统将关闭主点火，并向业主发送短信。凭借此功能，我们的系统为移动车辆提供了非常可靠的安全性。
4.3、微控制器
微控制器通常是由内置外围设备组成的计算设备。它包括CPU，USART（通用同步异步收发器），定时器，计数器等组件。
4.3.1、微控制器ATmega-16
在我们的工作中，我们使用了Atmel22系列的ATmega-16微控制器。该器件及其引脚配置如图6所示。采用 C / C 和汇编语言用于编程微控制器。
ATmega-16的一些重要特征如下：
bull;8位微控制器，RISC架构，32times;8通用工作寄存器
bull;EEPROM = 512B，内部SRAM = 1 KB，系统内闪存程序存储器= 16 KB
bull;32个可编程I / O线，外设特性
系统开机启动时显示的欢迎信息如图7所示。我们系统及其编程的流程图实现如图8所示。
4.4、外部电路
除了主要模块和组件，我们的项目中还使用了许多其他外部电路组件。其中一些列举如下：
bull;16times;2 LCD显示屏和12V电池
bull;LED，蜂鸣器，指示灯，继电器
bull;MAX 232 IC，稳压器和其他电子元件
4.5、系统集成
整个系统由三层紧密和安全连接的PCB组成。系统的框图如图9所示。 三个块分别安装和制造在三层PCB上，以避免组件间干扰。图10显示了三层PCB设计电路：图10（a）给出了mu;C控制块的电路; 图10（b）显示了GSM通信模块的电路，图10（c）显示了GPS跟踪模块的电路，10（d）显示了我们系统的最终集成工作硬件设计。我们的系统的成本约为80美元，远低于现有的跟踪系统，因此使其成为非常经济的系统。
图10、PCB设计电路
4.6、网络界面
为了让用户全面了解我们的系统，我们开发了一个网站，只有经过身份验证的用户才能访问他/她的车辆。用户与系统成功连接后可以查询位置、移动轨迹、速度等参数和其他传感器测量信息。在开发本网站时，我们使用Adobe Dreamweaver，WAMP Server和HTML / CSS / PHP网络语言进行设计。在我们的系统中，PHP编码在登录系统中完成，只有经过身份验证的用
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