一、研究背景

随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平也日趋提高，私家车也越来越多，停车难的情况愈发明显，部分车辆停放在无人看守地带，易发生车辆被盗情况；车辆在保养或维修期间，也可能会被一些维修人员私自驾驶，一旦出现交通事故，会对车辆和车主造成严重的经济损失和精神伤害。另外，部分企业人员会利用企业车辆游玩、接送家属，利用工程车辆接私活，损害企业利益^[1]。上述各种情况都是由于缺少对车辆必要的监控监管所致，如何实现对车辆的有效定位监控是个人和企业迫切需要解决的问题。

传统的定位系统大多基于GPRS网络和Web方式。GPRS网络是2G移动通信的数据传输技术，传输速率仅为56至114Kbps，GPRS模块启动电流较大，功耗较高。 NB-IoT是一种符合3GPP标准的新型无线接入技术，能为物联网提供广域覆盖，在上行和下行传输数据时，最小只消耗180KHZ的系统带宽，可直接部署于GSM网络，UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本，实现网络的平滑升级，具有深度覆盖，海量连接，传输速率和功耗低，稳定可靠，成本低等优点^[2]。随着NB-IoT技术已经写入标准，三大运营商的基站逐步覆盖完善，把NB-IoT技术用于车辆定位系统中将大大提高数据传输稳定性。传统的Web方式定位系统，一方面车辆管理人员及用户必须在监控端（通常指PC端）前才可以对车辆进行监控和管理，PC机由于尺寸和重量较大，携带不便，若管理人员处于离线状态或不在 PC 机前，将难以及时查看车辆的行驶状况和运行信息。此外，PC系统还具有开发成本高、维护困难、便捷性不强等特点，对中小型企业和个人的使用很不划算^[3]。Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，由 Google公司和开放手机联盟（Open Handset Alliance）领导及开发的,主要应用于移动设备^[4]。目前，除了应用于智能手机外，Android操作系统还涉及到车联网、机顶盒以及物联网。随着智能手机的普及，Android 已经深入到生活的方方面面，Android 手机操作系统对信息社会的发展起到了巨大的推动作用。因此，针对上述情况，本课题设计了一套基于Android手机的NB-IOT的车辆定位系统。

二、国内外研究现状

目前，车辆监控系统在国外的研究中较为成熟和稳定，特别是在欧洲、美国、日本等国家，其最具代表性的系统有美国的TravTek系统、法国的Carmiant系统、德国的Ali-scout系统、日本的CruiseMate和VICS系统^[3]。上述系统最大的优点在于能够对车辆当前所在位置进行准确定位，并且拥有较高的授时精度，在国外的定位和导航系统中应用广泛。随着车辆定位系统研究与应用的不断深入与拓展，车辆定位监控技术也引起了相关学者的广泛研究，比如Aloquili O等人研究的基于GIS环境的自动车辆跟踪定位系统，该系统结合Dijkstra最短路径算法和Kruskal最小生成树算法，能够根据当前时刻的信息将车辆的实时位置可视化地显示在地图上，从而为车辆的管理调度做出合理的决策^[5]。Lee S J 等人研究和实现的基于GPS_GSM_GPRS和智能手机的车辆跟踪系统，使得系统更加直观、方便，在一定程度上大大提高了车辆监控系统的应用空间^[6]。尽管国外的学者和研究人员对车辆定位做了诸多的探索和测试，但实际上这些定位监控系统仍然存在很多不足，例如定位精度、实时性、可视化、可操作性方面仍然存在很大的提升空间。

虽然国内众多的研究人员和高校对车辆定位系统进行深入广泛的研究，但其大部分都是基于PC端和GPRS网络的定位监控系统，存在实时性较低、便携性不强、成本高、易用性等缺点，因此为改善其性能，近些年，相关人员陆续的对基于移动端的定位监控系统进行了研究。2013年苟霞作者对Android系统上的智能车辆监控系统作了详细的研究，采用 GSM 网络通过短信收发的方式进行数据的传输通信，监控端连续地向车载端发送含有特殊含义的短信，在车载端接收到短信命令后，其定位模块自动获取当前时刻的定位信息，紧接着利用GSM通信网络的方式将信息传输给Android手机端，最终以字符串的形式显示在客户端的UI界面上^[7]。由于该系统存在较大的信号延迟现象，导致数据不能实时接收，此外，该系统也不能将车辆的动态信息直观地显示在地图上，不能实时地更新位置信息以及实现可视化的效果。2017年鲍萍萍作者也对基于Android平台的车辆监控系统进行了研究与设计，该系统采用了3G通信方式传输位置信息，解决了GSM网络信号延时的问题，但是3G网络存在覆盖率不高、功耗较大的问题，其实用性有待加强^[3]。综上来说，基于手机的车辆定位系统目前还不是非常成熟，在技术层面上仍有提高和完善的余地。

传统上的物联网通信技术主要分为两类，一类是短距离通信方式，如Zigbee、Z-wave及蓝牙等通信方式，另一类则是传统3G/4G等长距离通信方式。短距离通信方式具有低功耗、低成本等优势，但由于其传输距离较短，导致长距离传输需要部署多个中继节点，因此网络拓扑复杂、稳定性较差；3G/4G通信方式则具有通信覆盖面广、传输速率高等优势，然而其对设备能量消耗大，不适合作为底层物联网通信技术^[8]。为解决现有物联网通信技术传输距离与能量消耗之间的矛盾，低功耗广域网(LPWA)通信技术营运而生^[9]。LPWA技术主要包括工作在非授权频段下的Sigfox及Lora技术和工作在授权频段以华为为主导的NB-IoT技术，并得到了电信运营商的普遍支持，已成为LPWA通信技术的实施标准^[10]。目前，中国三家基础电信企业都已启动NB-IoT网络建设，将逐步实现全国范围广泛覆盖，2017年全网基站规模超过40万站，一批省市已经开始了商用网络。

本课题在了解定位系统的结构和通信技术原理基础上开发一种基于NB-IOT的车辆定位系统。这种系统由定位模块锁定车辆位置信息，并将数据实时传输到上位机，由上位机解析位置数据并上传至云端服务器。数据传输由NB-IoT网络完成，依托其深度覆盖、海量连接、高传输速率及低成本的优势，对新一代车辆定位系统有着重要的意义。

三、车辆定位系统结构及工作原理

基于NB-IoT的车辆定位系统由五部分组成：定位模块、单片机、无线传输模块、云端服务器及Android终端。其中位定位模块实时检测位置信息并交由单片机解析，单片机将解析的时间和位置数据经过NB-IoT模块上传至云端服务器。云端服务器用于接收车载端单片机传来的数据和对Android手机端发送的命令信息做出及时地回复，同时存储时间位置数据。Android手机终端从云端获取数据并显示位置信息及轨迹。系统结构图如图1所示。