Технологии, используемые в данном проекте

GPS

Выбранные трекеры используют спутниковую систему навигации — GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования). GPS позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Принцип определения координат объекта в системе GPS основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии минимум до 3 спутников позволяет однозначно определить координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых спутники, а радиус измеренное расстояние.

Рис. 1 Определение с трёх спутников

Расстояние до каждого из спутников определяется как время прохождения радиосигнала от спутника до приемника умноженное на скорость света. Возникает задача точного определения времени прохождения радиосигнала. Она решается за счет генерации и передачи со спутника сигнала, модулируемого с помощью специальной последовательности. Точно такой же сигнал генерируется в GPS приемнике, а анализ отставания принятого сигнала от внутреннего позволяет определить время его прохождения.

Рис 2.Время прохождения радиосигнала

Для точного определения времени прохождения сигнала часы GPS приемника и спутника должны быть максимально синхронизированы, отклонение даже на несколько микросекунд приводит к погрешности измерения в десятки километров. На спутнике для этих целей имеются высокоточные атомные часы. Установить аналогичные часы в GPS приемник невозможно (используются обычные кварцевые часы), поэтому для синхронизации времени используются дополнительные сигналы, как минимум с еще одного спутника.

На практике при хорошей видимости небосвода GPS приемники получают сигналы сразу от множества спутников (до 10−12), что позволяет им синхронизировать часы и определять координаты с достаточно высокой точностью.

Рис. 3 Работа системы GPS

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible satчисло спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

Наряду с последовательностью, по которой определяется время распространения сигнала, каждый спутник передает двоичную информацию — альманах и эфемериды. Альманах содержит информацию о текущем состоянии и расчетную орбиту всех спутников (получив информацию от одного спутника, появляется возможность сузить секторы поиска сигналов других спутников). Эфемериды — уточненную информацию об орбите конкретного спутника, передающего сигнал (реальная орбита спутника может отличаться от расчетной). Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют GPS приемнику рассчитывать относительно них собственное местоположение.

GPRS

GSM (Global System for Mobile Communications) — это глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи.

GPRS (General Packet Radio Service) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет.

Рис 4. Общая схема передачи данных через GPRS

Система GSM состоит из множества подсистем, но для передачи информации по GPRS используется 2 из них: подсистема базовых станций и подсистема GPRS.

Подсистема GPRS состоит из пакетного коммутатора и GPRS шлюза.

Как только трекер запросит обмен данными через GPRS, GSM-модуль посылает запрос на базовую станцию, которая в свою очередь передаёт информацию на контроллер базовых станций. Контроллер базовых станций соединяется с пакетным коммутатором. Пакетный коммутатор выполняет функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной компьютерной сети Internet. Выполнив преобразование он отсылает данные на GPRS шлюз. Шлюз обеспечивает связь системы GPRS с пакетными сетями передачи данных: Internet, Intranet и др. Он содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения. Подсистема базовых станций состоит из приёмо-передающих базовых.

Протокол NMEA 0183

GPS модули выбранных трекеров отсылают информацию управляющему устройству в формате протокола NMEA 0183. NMEA 0183 — текстовый протокол связи морского (как правило, навигационного) оборудования (или оборудования, используемого в поездах) между собой. GPS модуль отсылает множество строчек в формате данного протокола, но в данном проекте меня интересует лишь RMC строка, которая представляет собой «рекомендуемый минимум навигационных данных» .

Формат RMC строки: $GPRMC, hhmmss. ss, A, GGMM. MM, P, gggmm. mm, J, v. v, b. b, ddmmyy, x. x, n, m*hh.

Значение полей:

" GP" - идентификатор источника; в приведенном примере это GPS.

" RMC" - «Recommended Minimum sentence C» («рекомендуемый минимум навигационных данных»).

" hhmmss. ss" - время фиксации местоположения по Всемирному координированному времени UTC: «hh» — часы, «mm» — минуты, «ss.ss» — секунды. Длина дробной части секунд варьируется. Лидирующие нули не опускаются.

" A" - статус: «A» — данные достоверны, «V» — недостоверны.

" GGMM. MM" - широта. 2 цифры градусов («GG»), 2 цифры целых минут, точка и дробная часть минут переменной длины. Лидирующие нули не опускаются.

" P" - «N» для северной или «S» для южной широты.

" gggmm. mm" - долгота. 3 цифры градусов («ggg»), 2 цифры целых минут, точка и дробная часть минут переменной длины. Лидирующие нули не опускаются.

" J" - «E» для восточной или «W» для западной долготы.

" v. v" - горизонтальная составляющая скорости относительно земли в узлах. Число с плавающей точкой. Целая и дробная части переменной длины.

" b. b" - путевой угол (направление скорости) в градусах. Число с плавающей точкой. Целая и дробная части переменной длины. Значение равное 0 соответствует движению на север, 90 — восток, 180 — юг, 270 — запад.

" ddmmyy" - дата: день месяца, месяц, последние 2 цифры года (ведущие нули обязательны).

" x. x" - магнитное склонение в градусах (часто отсутствует), рассчитанное по некоторой модели. Число с плавающей точкой. Целая и дробная части переменной длины.

" n" - направление магнитного склонения: для получения магнитного курса магнитное склонение необходимо «E» — вычесть, «W» — прибавить к истинному курсу.

" m" - индикатор режима: «A» — автономный, «D» — дифференциальный, «E» — аппроксимация, «N» — недостоверные данные (часто отсутствует, данное поле включая запятую отсутствует в старых версиях NMEA).

" hh" - контрольная сумма.

— байт равен 0x0D.

— байт равен 0x0A.

Устройство трекера

Трекер состоит из 3-х блоков:

1) GPS приемник Задача приёмника — как описано выше, принять сигналы со спутников, определить текущее положение спутиников, определить расстояние до спутников, определить своё местоположение, скорость, направление движения и отправить эти данные на управляющее устройство.

В качестве приёмника в «GPS трекере» выступает GPS модуль Quectel L10. В качестве приёмника в коммуникаторе выступает встроенный в коммуникатор GPS или ГЛОНАСС модуль, у каждого производителя он разный.

2) Передатчик Задача передатчика — передать полученные данные с приёмника на удалённый сервер в заданном формате.

В качестве передатчика в «GPS трекере» выступает GSM модуль SIM 900D. В качестве передатчика в коммуникаторе выступает встроенный телефонный модуль, у каждого производителя он разный.

3) Управляющее устройство Задача управляющего устройства — связать в единую систему (трекер) приёмник и передатчик, т. е. принять данный с приёмника и отправить через передатчик на удалённый сервер.

В качестве управляющего устройства в «GPS трекере» выступает микроконтроллер STM32F100. В качестве управляющего устройства в коммуникаторе выступает микроконтроллер производителя устройства.

Рис 5. Устройство GPS трекера

Стек протоколов TCP/IP

Передача данных между всеми компонентами системы осуществляется по стеку протоколов TCP/IP.

Стек протоколов TCP/IP состоит из нескольких уровней:

Транспортный уровень (англ. Transport layer) — 4-й уровень сетевой модели OSI, предназначен для доставки данных. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть, он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Протоколы этого уровня предназначены для взаимодействия типа точка-точка. Пример: TCP, UDP, SCTP.

Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции, например, функции передачи данных без подтверждения приема, и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Некоторые протоколы транспортного уровня, называемые протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных — это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Канальный уровень (англ. Data Link layer) — уровень сетевой модели OSI, предназначенный для передачи данных узлам, находящимся в том же сегменте локальной сети. Также может использоваться для обнаружения и, возможно, исправления ошибок, возникших на физическом уровне. Примерами протоколов, работающих на канальном уровне, являются: Ethernet для локальных сетей (многоузловой), Point-to-Point Protocol (PPP), HDLC и ADCCP для подключений точка-точка (двухузловой).

Канальный уровень отвечает за доставку кадров между устройствами, подключенными к одному сетевому сегменту. Кадры канального уровня не пересекают границ сетевого сегмента. Функции межсетевоймаршрутизации и глобальной адресации осуществляются на более высоких уровнях модели OSI, что позволяет протоколам канального уровня сосредоточиться на локальной доставке и адресации.

Заголовок кадра содержит аппаратные адреса отправителя и получателя, что позволяет определить, какое устройство отправило кадр и какое устройство должно получить и обработать его. В отличие от иерархических и маршрутизируемых адресов, аппаратные адреса одноуровневые. Это означает, что никакая часть адреса не может указывать на принадлежность к какой либо логической или физической группе.

Когда устройства пытаются использовать среду одновременно, возникают коллизии кадров. Протоколы канального уровня выявляют такие случаи и обеспечивают механизмы для уменьшения их количества или же их предотвращения.

Многие протоколы канального уровня не имеют подтверждения о приёме кадра, некоторые протоколы даже не имеют контрольной суммы для проверки целостности кадра. В таких случаях протоколы более высокого уровня должны обеспечивать управление потоком данных, контроль ошибок, подтверждение доставки и ретрансляции утерянных данных.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты. В программировании доступ к этому уровню предоставляет драйвер сетевой платы. В операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.

Рисунок 6. Инкапсуляция и демультиплексирование данных.

Инкапсуляция в компьютерных сетях — это метод построения модульных сетевых протоколов, при котором логически независимые функции сети абстрагируются от нижележащих механизмов путём включения или инкапсулирования этих механизмов в более высокоуровневые объекты. Например, когда процесс хочет послать сообщение с помощью UDP, то производится последовательность действий:

• · процесс передает сообщение к UDP в соответствии с парой гнездовых адресов и длины данных;
• · UDP получает данные, дополненные заголовком UDP;
• · UDP передает пользовательскую датаграмму к IP с гнездовым адресом;
• · IP дополняет свой заголовок, который использует значение 17 в поле протокола, указывающее, что данные поступили от UDP-протокола;
• · IP-датаграмма дополняет и добавляет собственный заголовок (при необходимости и окончание) и передает его к физическому уровню;
• · физический уровень кодирует биты в электрические или оптические сигналы и посылает их отдалённой машине.

АТкоманды

AT-команды (набор команд Hayes) — набор команд, разработанных в 1977 году компанией Hayes для собственной разработки, модема «Smartmodem 300 baud». Набор команд состоит из серий коротких текстовых строк, которые объединяют вместе, чтобы сформировать полные команды операций, таких как набор номера, начала соединения или изменения параметров подключения.

Для того, чтобы модем распознал эти команды, они должны быть записаны в специфической форме. Каждая команда всегда начинается буквами AT или at (от англ. ATtention, за что и получили своё название), дополненных одной или больше командой и завершаемой в конце нажатием клавиши Enter. Команды воспринимаются модемом только тогда, когда он находится в «командном режиме» или offline.

AT-команды обычно отправляются модему посредством коммуникационного программного обеспечения, но также могут быть введены пользователем вручную, с компьютерной клавиатуры.

Набор команд оказался весьма удачным решением и в качестве задающих установки Hayes-совместимого модема, используется для его оптимального функционирования для тех или иных целей, в различных условиях: при разном состоянии телефонной линии, частотной характеристики линии, зашумлённости, наличии частых искровых помех и т. д.

Стандартизация набора команд Hayes (и AT-команд) выразилась в документе под названием Data Transmission Systems and Equipment — Serial Asynchronous Automatic Dialing and Control, известном как TIA/EIA-602. Далее, ITU-T выпустила документ V.250 (так же известный как V.25ter), содержащий все команды TIA/EIA-602 и несколько дополнительных. После чего был выпущен TIA/EIA-602-A содержащий только ссылки на V.250 и небольшую историческую справку.

Для настройки (активации, деактивации и перенастройки установок) модема, Hayes-команды могут использовать различные профили модема.

Набор команд и архитектура оказались весьма удачными и неоднократно расширялись и дополнялись. ETSI выпустил ряд стандартов описывающих управление мобильными телефонами и модемами стандарта GSM, таких как GSM07.05 и GSM07.07. Некоторые производители коммуникационного оборудования дополняют стандартный набор AT-команд своими собственными расширениями.