汪子朝，葉建芳

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

貴重物品安全問題一直是困擾人們的一個(gè)難題。人們外出時(shí)總是擔(dān)心家里重要物品是否丟失，盡管遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)日益成熟，但是針對(duì)控制器的要求很高、視頻傳輸速度慢、成本高等問題還是讓人望而卻步?；谶h(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)，只能知道物品丟失了，但物品究竟去了何方？又該如何尋找？本文運(yùn)用GPS和GSM技術(shù)完成了基于STC12C5A08S2單片機(jī)控制器的物品安全報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)可在貴重物品移動(dòng)超出一定范圍時(shí)發(fā)出警告，并能監(jiān)控貴重物品的行蹤，為貴重物品的安全監(jiān)控提供了一種便捷可靠的解決方案。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

初次記錄物品（汽車、保險(xiǎn)箱等）所在地點(diǎn)的地理位置，包括經(jīng)度、緯度和海拔高度。物品的坐標(biāo)由GPS模塊提供，以此經(jīng)度、緯度和海拔高度作為物品的基坐標(biāo)，并將此坐標(biāo)通過上位機(jī)軟件存儲(chǔ)，當(dāng)物品的位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，控制器將計(jì)算移動(dòng)的距離，距離超過某一設(shè)定值(例如 10 m)時(shí)，通過 GSM模塊向物主發(fā)送短信，并且每隔一定的時(shí)間向物主手機(jī)發(fā)送物品當(dāng)前位置的坐標(biāo)，為追回物品提供引導(dǎo)，物主也可通過發(fā)送特定的信息，排除其移動(dòng)物品所引發(fā)的報(bào)警。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由電源、GPS模塊、STC12C5A08S2單片機(jī)、TC35模塊構(gòu)成。圖1給出了系統(tǒng)硬件部分的結(jié)構(gòu)框圖，GPS負(fù)責(zé)接收物品位置信息，單片機(jī)負(fù)責(zé)將GPS信息解碼與計(jì)算，進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)，TC35負(fù)責(zé)將各種信息發(fā)送到目標(biāo)手機(jī)。51單片機(jī)作為核心來控制GPS和GSM模塊。GPS

接收到的經(jīng)度、緯度等地理信息通過串口傳輸?shù)?1單片機(jī)，物品最初的地理信息經(jīng)GPS接收、上位機(jī)軟件設(shè)置作為參照信息存儲(chǔ)到單片機(jī)的Flash中，同時(shí)上位機(jī)將目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼、要發(fā)送的短信內(nèi)容發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，單片機(jī)將每次接收到的地理信息解碼，與參照地理信息對(duì)比算出距離，兩者相差10 m時(shí)，則單片機(jī)通過另外一個(gè)串口向GSM模塊發(fā)送AT指令，向目標(biāo)手機(jī)發(fā)送信息，通知安保人員物品位置被移動(dòng)，并且將當(dāng)前物品的準(zhǔn)確位置信息發(fā)送給安保人員；安保人員也可以通過發(fā)送特定的字符命令，隨時(shí)獲得物品所在地的地理信息。STC12C5A08S2作為本系統(tǒng)的控制器，具有兩個(gè)串口分別與GPS、GSM通信，芯片AMS1117將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V為GPS模塊供電。芯片LM2941S將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換為4.2 V為GSM和單片機(jī)模塊供電。

3 GPS通信的實(shí)現(xiàn)

GPS模塊在系統(tǒng)中用來接收物品的地理信息，將這些信息傳送給單片機(jī)控制器，方便單片機(jī)做計(jì)算處理[1]。采用臺(tái)灣鼎新科技的royaltek LE3571作為GPS模塊，該模塊以SIRF3為主芯片。

模塊的引腳4和引腳5是標(biāo)準(zhǔn)的TTL接口，可以直接連接到單片機(jī)的UART，將GPS信息輸出到單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行運(yùn)算處理，再通過GSM系統(tǒng)將相關(guān)信息發(fā)送到指定的手機(jī)。模塊輸出信息數(shù)據(jù)每行開頭都是以字符‘$’作為起始標(biāo)記，接著是信息類型，最后是數(shù)據(jù)，之間以逗號(hào)分隔開。一行完整的數(shù)據(jù)為：$GPRMC，080655.00，A，4546.40891，N，12639.65641，E，1.045，328.42，170809…A*60。這一串字符中4546.40891是經(jīng)度，12639.65641是緯度。物品被移動(dòng)的距離計(jì)算原理是：設(shè)第一點(diǎn) A的經(jīng)緯度為(LonA，LatA)，第二點(diǎn)B的經(jīng)緯度為(LonB，LatB)，按照 0°經(jīng)線的基準(zhǔn)，東經(jīng)度取正值(Longitude)，西經(jīng)取經(jīng)度負(fù)值(-Longitude)，北緯取90-緯度值(90-Latitude),南緯取 90+緯度值(90+Latitude)，經(jīng)過上述處理后兩點(diǎn)的經(jīng)緯度被記為(MLonA，MLatA)和(MLonB，MLatB)。根據(jù)三角公式，可計(jì)算得到A、B兩點(diǎn)的距離：

GPS將地理信息通過UART傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)式（1）計(jì)算得到A、B兩點(diǎn)的距離，并將計(jì)算結(jié)果通過單片機(jī)的UART口傳送給GSM模塊，最后將物品移動(dòng)距離的信息發(fā)送給目標(biāo)手機(jī)。

4 GSM在系統(tǒng)中的應(yīng)用

GSM模塊TC35在系統(tǒng)中接收單片機(jī)發(fā)送的相關(guān)命令，將需要發(fā)送的短信內(nèi)容發(fā)送到指定的手機(jī)[3]。TC35可工作在雙頻（900/1800），電源范圍為直流 3.3～4.8 V，電流消耗在休眠狀態(tài)時(shí)為3.5 mA，空閑狀態(tài)時(shí)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)時(shí)為 300 mA(平均)，峰值2.5 A；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào),功耗在EGSM900(4類)和GSM1800(1類)分別為2 W和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM卡電壓為3 V/1.8 V，帶有TTL電平輸入輸出，可選波特率為 300 b/s～115 kb/s，自動(dòng)波特率為1.2 kb/s～115 kb/s。它支持Text和 PDU格式的短消息 SMS(Short Message Service)，可通過 AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)?？芍苯舆B接到單片機(jī)串口，通過串口向TC35發(fā)送命令就可以實(shí)現(xiàn)打電話和發(fā)短信的功能。TC35通常的外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示，管腳1～5是電源引腳，接 4.2 V電壓；6～10腳接地；15腳是啟動(dòng)引腳，此引腳保持50 ms低電平觸發(fā)，就可啟動(dòng)TC35；18腳和 19腳是 UART， 用來與 STC12C5A08S2單片機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送；24～29腳用來連接SIM卡；32腳是GSM信號(hào)指示燈，當(dāng)GSM搜索網(wǎng)絡(luò)成功，32腳輸出高電平，點(diǎn)亮LED。單片機(jī)通過AT指令與TC35通信。

圖3 軟件流程框圖

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程框圖如圖3所示。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和STC12C5A08S2單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)軟件要處理的任務(wù)是將初次的定位信息、目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼、要發(fā)送的短信內(nèi)容發(fā)送給單片機(jī)，讓單片機(jī)將這些信息存儲(chǔ)起來，軟件上面能顯示初次的地理信息。當(dāng)上位機(jī)軟件設(shè)置好后，系統(tǒng)即可與PC斷開，單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)，上位機(jī)軟件只是在最初的階段起作用。單片機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)與PC、GPS、TC35的通信，與PC之間的通信只有一次，就是最開始設(shè)置目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼、短信內(nèi)容、傳輸基座標(biāo)。與GPS通信比較簡(jiǎn)單，因?yàn)镚PS會(huì)每隔1 s自動(dòng)地向單片機(jī)發(fā)送地理信息，單片機(jī)只需要做好接收工作、計(jì)算工作。與TC35之間的通信關(guān)鍵是如何使用AT命令來控制TC35。根據(jù)GSM的定義,短信息的發(fā)送和接收模式共有3種：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。使用Block模式需要模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持,而用于中英文短信息傳送應(yīng)使用PDU模式,只傳送英文短信息使用Text模式。Text模式的短信息發(fā)送和接收比較簡(jiǎn)單,如不需要傳送中文則最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。采用Text模式發(fā)送接收短信息的步驟分為初始化GSM模塊、發(fā)送文本短信息和接收短信息。而對(duì)于發(fā)送和接收中文或中英文混合的短信息必須采用PDU模式,根據(jù)GSM的定義，只要軟件上按照PDU格式解讀或編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式即可接收或發(fā)送短消息。PDU格式的收發(fā)最多為70個(gè)漢字字符，中文字符按照UNICODE進(jìn)行編碼。

GSM和GPS的快速發(fā)展和日趨成熟，為本監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。該系統(tǒng)體積為90 mm×60 mm×20 mm，價(jià)格便宜，使用方便。測(cè)試結(jié)果表明，監(jiān)控距離為100 m時(shí)，在GSM信號(hào)正常的情況下，響應(yīng)時(shí)間不足1 min，誤報(bào)率<1%，能夠?qū)崿F(xiàn)物品安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，人們將不再擔(dān)心外出時(shí)重要物品遺失，具有很好的市場(chǎng)前景。

[1]郭良金.GPS衛(wèi)星定位及若干問題的分析[J].中國西部科技，2010，9(22)：10，92.

[2]孫德輝，衛(wèi)革，楊揚(yáng).基于 ARM的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29(7)：26-28.

[3]何光禹，李太全.基于 TC35 i GSM模塊的 SMS設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(16)：157-159，163.