自全球衛星定位系統(GPS)向民用開放後，商用GPS接收機研發活動發展迅速。隨著技術不斷改進，GPS接收機種類不斷增加，價格親和力不斷增強，在交通運輸市場上，對車輛追蹤導航系統的需求走強。
車輛追蹤系統利用GPS接收機推算車輛當前位置和到達目的地時間資訊。把GPS導航系統與全球行動通訊系統(GSM)/整體封包無線電服務(GPRS)等行動通訊標準、微機電系統(MEMS)感測器和主控制器整合在一起，可以構成一個今日在很多應用領域廣泛使用的車輛追蹤系統。車輛追蹤系統讓運輸公司能夠追蹤運輸車輛的位置和狀態，確保車輛安全，透過提高通訊和追蹤能力，汽車運輸公司還能提高營運效率(圖1)。
 |
| 圖1 車輛追蹤系統運作示意 |
本文將探討車輛追蹤系統在衛星車隊管理系統中的作用，把車輛追蹤系統與MEMS加速度計、陀螺儀、攝像頭成像感測器和駕駛員身分驗證系統整合在一起，進一步提高車輛追蹤系統的實用價值。
這種整合系統可以實現類似飛機黑盒子的功能，具有安全防盜、碰撞檢測和向車隊調度中心警報的功能，讓車隊能夠第一時間採取救援行動。
這個車輛追蹤整體解決方案由車輛追蹤控制器和車隊管理軟體組成，使用者可以在已連接網路的個人電腦、筆記型電腦、手機地圖上查看汽車的位置。
車輛追蹤系統分類
車輛追蹤系統一般可分為兩大類：主動即時車輛追蹤解決方案和被動車輛追蹤解決方案。被動車輛追蹤解決方案對車輛進行連續監視，並把車輛位置和狀態資訊保存到車載記憶體內。在車輛到達目的地後，使用者複製車載記憶體的資訊，使用適合的應用軟體查看相關資訊。
而即時或主動追蹤系統則採集車輛位置資料，並透過通訊媒介，一般是GSM/GPRS行動網路即時發送相關資料。即時車輛追蹤系統透過以下兩種方式與網路應用軟體通訊：
| ‧ |
|
| |
在這種情況下，車隊調度中心須要安裝一個GSM接收機，從短訊(SMS)中提取資訊並發送到電腦應用軟體。 |
| ‧ |
|
| |
在此種情況下，追蹤系統需要網路接入功能和一台行駛車輛追蹤應用軟體的網路伺服器。透過登錄網路伺服器，使用者能夠在已連接網路的個人電腦或筆記型電腦上查看即時資料。現有解決方案使用超文字傳輸協定(HTTP)Get和Post請求與網路伺服器應用軟體通訊。 |
硬體構成包含車輛追蹤控制器/遙控器
追蹤系統由一個車輛追蹤控制器和一個駕駛員身分驗證遙控器選件組成，如圖2~3所示。
 |
| 圖2 車輛追蹤控制器硬體架構 |
 |
| 圖3 遙控器硬體架構 |
車輛追蹤控制器負責採集GPS/GLONASS資訊，並在內建有機發光二極體(OLED)液晶顯示模塊(LCD)螢幕上顯示資訊，透過GPRS行動網路發送到網際網路伺服器的應用軟體。
在車上安裝MEMS加速度計和陀螺儀後，車輛追蹤單元還可用作防盜功能，檢測車輛被舉升的情況；還可當作黑盒子，記錄汽車碰撞等交通事故資料，透過手機簡訊發送即時車輛資料，並把資訊保存在電路板上的microSD記憶體內。
車輛追蹤控制器可採用意法半導體(STMicroelectronics)的STM32F207安謀國際(ARM)Cortex-M3微控制器。STM32F2系列微控制器在120MHz下達到150DMIPS，功耗極低，外設介面種類豐富，隨機存取記憶體(RAM)容量128KB，快閃記憶體(Flash Memory)容量1MB，無需任何外部處理器或記憶體。
而應用韌體基於FreeRTOS(開源即時操作系統)框架，利用多執行緒即時操作技術處理受時間限制的任務。此外，電路板上整合了Teseo-II單晶片GPS/GLONASS接收器，該Teseo-II系列多星系統單晶片整合射頻(RF)和全球導航衛星系統(GNSS)接收器，能夠同時追蹤GPS、GLONASS和伽利略衛星，提高定位的精確度和追蹤衛星的數量，在大多數訊號環境內，可追蹤衛星的數量提高近一倍。
另外，SAGEM模組內建一個GSM/GPRS模組，透過GPRS行動網路向網路伺服器發送車輛狀態和位置資訊。模組並內建MEMS感測器，包括加速度計和陀螺儀，用於檢測異常狀況，例如，車輛被盜、側滑/翻車，並透過GPRS網路向網路伺服器發送檢測到的資訊，或者透過行動網路簡訊服務向手機發射簡訊。當沒有衛星訊號時，這些感測器還可用於臨時推算汽車位置。
 |
| 圖4 車輛追蹤系統參考設計 |
即時資訊可以顯示在車輛追蹤控制器的2.5吋OLED LCD顯示幕上(圖4)。在車輛追蹤控制器上，用戶可以即時設置各種參數，例如，限速和授權駕駛員名單。可以從網上查看車隊行程歷史紀錄。該解決方案的電源可以是12伏特(V)汽車蓄電池或3.7伏特1,800mAh可充電鋰電池。在主電源斷電時，有一個0.22法拉(Farad)超級電容給STM32後備電壓域供電。
車隊管理更嚴密可靠
車輛追蹤系統可運用在以下幾個方面，為車隊提供更加安全及可靠的管理方案：
| ‧ |
|
| |
可透過一個遙控器驗證駕駛員的身分，解鎖並啟動車輛追蹤系統控制器。在遙控器上輸入正確的密碼後，駕駛員識別碼立即透過IrDA紅外線發送到車輛追蹤控制器。如果輸入的密碼與授權駕駛員名單的密碼匹配，則追蹤系統立即解除鎖保護。重複輸入錯誤密碼的次數受到限制，如果超過限制次數，相應的駕駛員密碼將被限用。 |
| ‧ |
|
| |
追蹤系統從GPS/GLONASS模組的UART介面的NMEA輸出中提取位置資料，例如經緯度、時間、日期、對地速度和固定衛星數量。這些資訊透過GPRS行動網路發送到網際網路伺服器，資料傳輸速率可以設置。為充分利用連續即時追蹤系統，降低系統功耗，提高GPRS頻寬利用率，可以按照車輛行駛速度調製資料速率。 |
| ‧ |
|
| |
車輛位置資訊配合警報功能，讓運輸公司能夠更精確地監控車隊運動狀態，警報功能將向調度中心報告超速、車輛舉升(由電路板上的MEMS加速度計監視)、翻車/側滑(由電路板上的陀螺儀檢測)、非法進入車內、資料篡改檢測、緊急按鈕啟動等事件。 |
| ‧ |
|
| |
車載MEMS感測器利用資料演算法確定意外事件如撞車、翻車或側滑，然後，把車輛位置和狀態資訊記錄在行動記憶體內，並把相關資訊發送到調度員的手機，以便運輸公司即時採取安全救援行動。 |
| ‧ |
|
| |
車輛與網路伺服器間的通訊採用握手協定，如果接收端沒有收到資訊，系統將重新發送資訊。假如沒有網路訊號，為確保不失去任何資料，未發送的資訊臨時保存在車載記憶體內，當重新建立網路連接時，這些資料會作為整體資料發送到伺服器。 |
網路應用軟體居間協調
車隊管理應用軟體是一個用於追蹤車隊的網路應用軟體介面，從車隊現場採集即時資料，然後在介面上顯示所採集的資訊。該軟體整合多種不同的技術，而這些技術都與一個透過網際網路實現的系統關聯。
| ‧ |
|
| |
整個系統基於主從式網路模式，車輛追蹤控制器是客戶機，而網路應用軟體是伺服器。開發人員利用ASP.NET技術開發用戶端指令碼支援JavaScript程式的應用軟體。在這個模式中，車輛追蹤控制器充當客戶機，採用HTTP請求格式向伺服器發布命令，這條命令透過網際網路發送到伺服器，為確認已收到請求，網路伺服器按照HTTP協定規定回復一個狀態碼。 |
| ‧ |
|
| |
伺服器從車輛追蹤控制器發送的請求中提取資料幀並進行相應的處理，然後將其轉換成表格保存在資料庫內，使用ADO.NET連接MS-SQL伺服器執行SQL語言查詢資料庫，伺服器在資料庫內建立並保存資料。網路應用軟體行駛在網路伺服器上執行，利用資料庫映射資料，與資料庫互動。 |
| ‧ |
|
| |
使用OpenStreetMaps技術把地圖嵌入網路應用軟體內。OpenStreetMaps地圖技術基於採用JavaScript(用戶端指令碼語言)的開放層地圖軟體。目前網際網路上有各種類型的地圖軟體，例如Bing Maps、Google Maps和OVI Maps。與這三種地圖軟體相比，OpenStreetMaps的最大優勢是開放式軟體，而且這個地圖軟體的很多特性都可以按需求訂製。 |
| ‧ |
|
| |
使用者使用任何一款網路流覽器，如Internet Explorer、Safari、Google Chrome，點擊網頁連結，即可與網路應用軟體互動。只有身分驗證透過後，使用者才能進入應用軟體介面主頁，應用軟體介面有增添/修改現有汽車和駕駛員詳細資訊的配置選項，使用者可以在地圖上即時查看註冊車輛的位置。 |
| ‧ |
|
| |
使用者與應用軟體互動，監視車輛狀態，應用軟體與資料庫伺服器互動，在固定間隔內更新資料，在應用軟體內，更新間隔是一個可以配置的參數。資料庫與網路伺服器互動，可以查詢車輛追蹤控制器透過GPRS發送的經緯度、車速、距離、時間和相關參數。 |
| ‧ |
|
| |
伺服器利用經緯度座標建立和更新追蹤資料，採用XML檔案格式保存追蹤資料，並以XML檔案格式輸入到地圖軟體內，地圖軟體從XML檔產生追蹤資料。XML檔是在應用中動態建立的，同時追蹤控制器發送的座標被不斷地更新。路線的起點和當前位置的指示方法是在地圖上做標記，標記資料還提供標記位置的經緯度。 |
| ‧ |
|
| |
資料庫維護和組織工具能夠管理註冊車輛的位置和狀態資料，產生某個特定車輛在某一特定時間段的行駛紀錄報告，使用者可以選擇報告的時間段。 |
更多應用持續發展中
車輛追蹤解決方案不僅用於衛星車隊管理系統，還能用於資產追蹤和消費性電子應用，例如手持導航裝置。整合熱敏印表機的追蹤系統是海關列印應用的另一個加值功能。
今天的追蹤解決方案還提供「地理圍欄」功能，准許運輸公司在某一個地理區域設定一個虛擬邊界，追蹤解決方案利用一個演算法確定註冊車輛是否駛入或駛離限制區域。
整合現有的照像感測器技術可提高車輛追蹤系統的安全性。在沒有GPS衛星訊號或斷電時，推測汽車位置和車速是車輛追蹤系統的另一個實用功能。不過，在確定車速和車輛位置過程中，低成本MEMS的測量精度和效用持續時間還是一個爭議的問題，有待進一步研究。
(本文作者任職於意法半導體)