張 鹍 ， 趙成林， 董曉舟

（1.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院北京100876；2.山東大學(xué)威海分校信息工程學(xué)院， 山東威海264209）

目前集定位、監(jiān)控、報警功能于一體的個人定位系統(tǒng)多采用基于GPS/GSM（GPRS）技術(shù)[1]。雖然全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）可以提供高精度、覆蓋全球的定位，但必須保證GPS接收機(jī)和衛(wèi)星之間有直射路徑，這就使得GPS定位系統(tǒng)在建筑物密集的城區(qū)和建筑物內(nèi)部存在盲區(qū)。

GPSOne綜合了GPS、CDMA1X（碼分多址分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是美國高通公司為基于位置業(yè)務(wù)而開發(fā)的定位技術(shù)，采用Client/Server方式[2]。它將無線輔助A-GPS和高級前向鏈路AFLT三角定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度、高可用性和較高速度的定位。在A-GPS定位技術(shù)無法使用的環(huán)境中，會自動切換到AFLT三角定位技術(shù),確保定位的成功率和精確度[3]。這里基于GPSOne模塊DTGS-800和低功耗單片機(jī)MSP430設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了具有定位、監(jiān)控和報警功能的個人定位終端。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

個人定位終端的硬件組成如圖1所示。為了解決GPS在室內(nèi)和高層建筑密集區(qū)難以定位的問題，選用AnyData公司的DTGS-800 GPSOne模塊[4]；為了縮小體積、降低功耗和成本，主控單元MCU選用超低功耗的16位單片機(jī)MSP430F147[5]，顯示器選用LED。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制GPSOne模塊發(fā)起定位請求，接收并解析CDMA網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送的信息，獲取當(dāng)前的經(jīng)、緯度及其他信息，并以短信的方式送至控制中心或操作者的手機(jī)。

圖1 定位終端的硬件組成

主控單元MCU如圖2所示。它包括MSP430F147，外接高速晶振和低速晶振，在不需要高速處理時，可將高速晶振關(guān)閉，只使用低速晶振，以降低功耗；MSP430F147有2個串行異步通信接口（USART），其中一個（DCD、CTS、DTR、RI、RFR/RTS、TXD、RXD引腳）接口連接DTGS-800的UART1，另一個（URXD0、UTXD0）接口與PC機(jī)的串口相連，供系統(tǒng)調(diào)試使用。nRst、MS、TCK、TDI、TDO引腳連接JTAG插座，用于程序下載和在線調(diào)試；key1和key2引腳分別接“Help"和預(yù)留按鍵。外接的LED DS3和LED DS4分別用指示電池電量不足和DTGS-800與MSP430之間的通信；BatTest用于檢測電池電量。

DTGS-800模塊是定位終端的主體，其內(nèi)部集成有GPSOne器件，采用GPSOne解決方案定位；支持機(jī)卡分離RUIM，提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232數(shù)據(jù)接口和標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸。該模塊可采用外接電源或電池供電，電池供電電壓為+4.0 V±10%，外接電源供電電壓+4.5 V±10%，外接電源還能通過模塊內(nèi)部的電源管理器件為電池充電。

DTGS-800模塊的電路如圖3所示。其中DCD、CTS、DTR、RI、RFR/RTS、TXD、RXD引 腳連接MSP430F147的UART1，是DTGS-800與MSP430F147的通信通道；UIM_DATA、UIM_CLK、UIM_PWR_EN、UIM_RESET接UIM卡（圖4）；Sgl_SMS、Sgl_IDEL、Sgl_GPS、Sgl_busy、Sgl_power、Sgl_charge是系統(tǒng)狀態(tài)指示信號，分別連接6個LED，用于指示新短信信號、CDMA網(wǎng)絡(luò)信號、GPS信號、CDMA網(wǎng)絡(luò)忙、系統(tǒng)上電和電池充電等狀態(tài)；Bat-Gauge接電池測試端，用于檢測電池溫度（圖5）。

UIM卡是CDMA手機(jī)的一種智能卡，其功能類似于GSM手機(jī)中的SIM卡。它支持專用的鑒權(quán)加密算法和OTA技術(shù)(Over The Air)，可以通過無線空中接口方式對卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新和管理。UIM卡固定在卡座上，通過卡座的6個引腳與外部連接，如圖4所示，其中UIM_RESET和UIM_CLK需通過100 kΩ電阻下拉，UIM_DATA需通過10 kΩ電阻上拉。

電源Battery和Charger模塊如圖5所示。DTGS-800模塊的第88、90引腳是專用于電池供電的電源輸入引腳。若需模塊既可用外接電源又可用電池供電，可將外接電源接到第87和89引腳，電池接到第88、90引腳。此時，外接電源還能通過模塊內(nèi)部電源管理器件為電池充電。在模塊只采用電池供電的情況下，需要給該模塊一個power on信號；對該引腳進(jìn)行第2次觸發(fā)時，模塊power off。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該終端的軟件設(shè)計有主程序、按鍵檢測、電池檢測、存儲和串口通信5個模塊。圖6為主程序流程。

主程序模塊負(fù)責(zé)其他4個模塊的初始化和數(shù)據(jù)處理與存儲。該模塊判斷接收數(shù)據(jù)的正確性，從中提取位置和其他有用信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分離和有效數(shù)據(jù)在片上RAM的臨時存儲，并將有用信息通過串口發(fā)送給DTGS8-800，DTGS-800再以短信的形式傳給第三方。系統(tǒng)啟動時，首先進(jìn)行初始化，包括看門狗、定時器、電壓檢測模塊（含A/D轉(zhuǎn)換器）、UART、按鍵檢測模塊和DTGS-800的初始化；系統(tǒng)初始化完成后，如果沒有中斷請求則進(jìn)入低功耗模式，以節(jié)約電量。

按鍵檢測模塊和電池檢測模塊都是以中斷方式執(zhí)行的。當(dāng)有按鍵按下時，就會產(chǎn)生中斷，通知控制器進(jìn)行掃描，判斷是哪個鍵按下，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理；電池檢測模塊以一定時間間隔檢測電池電量，如果電池電量不足則通知控制器開始計數(shù)，如果連續(xù)檢測到電壓過低狀態(tài)超過一定次數(shù)后，則使相應(yīng)的LED閃爍，提醒用戶充電。

如果用戶發(fā)送報警信息，即按下Help鍵，則產(chǎn)生中斷請求，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，系統(tǒng)退出低功耗模式，進(jìn)入“HELP”狀態(tài)，發(fā)起定位請求，接收并解析定位信息，將有用信息和報警信息打包后，以短信的形式發(fā)送給HelpNum指定的服務(wù)器，發(fā)送成功后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。

如果是第三方發(fā)起定位請求，系統(tǒng)則退出低功耗模式，進(jìn)入“MPC定位”狀態(tài)，發(fā)起定位請求，接收并解析定位信息，將有用信息以短信的形式發(fā)送給指定手機(jī)或服務(wù)器，成功后系統(tǒng)返回低功耗模式。

服務(wù)密碼及MPC的地址可通過短信以特定的格式遠(yuǎn)程設(shè)置。

3 系統(tǒng)測試

通過在不同環(huán)境下的綜合測試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有以下功能：1）進(jìn)行MPC第三方定位（即網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起定位）；2）直接控制終端進(jìn)行主動定位（即終端側(cè)發(fā)起定位）；3）支持單次定位和連續(xù)定位；4）支持MS-Based和MS-Assist定位模式；5）能遠(yuǎn)程設(shè)置各種參數(shù)；6）具有緊急報警、越區(qū)報警和超速報警等功能。

圖3 DTGS-800模塊

圖4 UIM模塊

系統(tǒng)初始定位時間在20 s內(nèi)，室內(nèi)定位誤差在500 m內(nèi)，室外定位誤差在20 m內(nèi)；報警信息能在1 s內(nèi)傳到控制中心，出界、超速、電池電量過低等報警靈敏度高，系統(tǒng)可連續(xù)工作24 h，待機(jī)72 h，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以滿足個人定位系統(tǒng)基本的功能需求。

4 結(jié)束語

圖5電源模塊

圖6 主程序流程

本文基于GPSOne模塊DTGS-800和低功耗單片機(jī)MSP430F147，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個集個人定位、監(jiān)控和報警于一體的個人定位終端，解決了在室內(nèi)、隧道等場合GPS無法定位的問題。由于采用低功耗處理器，使整個系統(tǒng)功耗降到最低，能夠長期待機(jī)工作，為用戶帶來了極大方便，具有較高的實(shí)用價值。但由于系統(tǒng)使用CDMA網(wǎng)絡(luò)的短消息信道傳輸信息，實(shí)時性還不夠理想。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時性，可考慮改用GPSOne模塊內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行信息傳輸[6]。

[1]徐盡，孟雷.GPSOne定位技術(shù)應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2008，41（12）：239-240.

[2]饒俊，蔣敏志，肖金生.基于GPSOne的移動定位系統(tǒng)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006（11）：183-186.

[3]楊揚(yáng)，楊智慧，李正熙，等.基于GPSOne的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2008，24（8-1）：232-234.

[4]AnyDATA（ShangHai）,Ltd.DTGS-800 data sheet[EB/OL].（2003-07-10）[2008-12-22].http://www.anydata.net.cn/pdf/DTGS-800.pdf.

[5]沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008:20-62.

[6]Valvano J W.Embedded microcomputer systems:real time interfacing[M].Boroks/Cole Publishing Co，2000：165-185.