任鵬 鄧?yán)? 曾維 宋東 竇強(qiáng)

【摘要】系統(tǒng)以MSP430F149作為主控制器，應(yīng)用SIM908模塊通過(guò)GPS和GSM實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)測(cè)監(jiān)護(hù)。通過(guò)使用手機(jī)發(fā)送短信命令控制其定位返回定位信息給，利用百度地圖API可以直觀地監(jiān)測(cè)目標(biāo)所處位置，同時(shí)也可以撥號(hào)接通該系統(tǒng)，監(jiān)聽(tīng)目標(biāo)周圍環(huán)境聲音信息;系統(tǒng)中設(shè)置有報(bào)警裝置，激活時(shí)會(huì)自動(dòng)給發(fā)送報(bào)警信息;系統(tǒng)通過(guò)GPRS周期性地上傳GPS信息到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)軌跡記錄。系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)后可以隨身攜帶，防止兒童、老人和寵物走失的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】MSP430F149;GPS;GSM;遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

The remote monitoring system based on GSM/GPS

Abstract：The system uses MSP430F149 as the main controller，using SIM908 module of remote measuring monitoring target through GPS and GSM implementation.Through the use of mobile phones to send text messages to control the positioning command returns the location information to the API，using Baidu maps can be visually monitoring target position，also can dial switch on the system，the environment around the target sound information monitoring;system is arranged in the alarm device，when activated will automatically send alarm information system through the GPRS periodically;GPS upload information to the cloud database，realize the mobile track record.Can carry on system miniaturization design，prevent the occurrence of children，the elderly and pet missing.

Key words：MSP430F149;GPS;GSM;remote monitoring system

1.引言

隨著電子通信技術(shù)和微處理器技術(shù)的進(jìn)步，人們的生活越來(lái)越智能化，人們的安全意識(shí)也在不斷提高，盡管智慧城市被逐漸提上日程，城市的各個(gè)角落都布有城市之言——監(jiān)控設(shè)備，但是嬰兒被盜、兒童被拐、老人走丟的事情還是時(shí)常發(fā)生。人們需要一款能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的產(chǎn)品，隨時(shí)隨地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)護(hù)。

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，最初由美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)用于全天候全球性軍事導(dǎo)航服務(wù)，它由24顆人造衛(wèi)星組成，目前其全球信號(hào)覆蓋率高達(dá)98%，1983年開(kāi)始GPS服務(wù)向民眾開(kāi)放。

GSM（Global System For Mobile Communications）即全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI訂制的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，用戶使用時(shí)需要插入用戶識(shí)別卡（SIM卡），它是目前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，其通信設(shè)備占據(jù)當(dāng)前全球蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備市場(chǎng)90%以上。GSM網(wǎng)絡(luò)可以傳送高質(zhì)量的數(shù)字語(yǔ)音和SMS（Short Message Service），目前在中國(guó)有兩家通信公司運(yùn)營(yíng)，一家是中國(guó)移動(dòng)通信（中國(guó)移動(dòng)）一家是中國(guó)聯(lián)合通信（中國(guó)聯(lián)通）。

隨著GSM通信技術(shù)的發(fā)展和GPS定位系統(tǒng)的升級(jí)和解禁，以及GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐茝V，個(gè)人終端定位、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)設(shè)備也日趨完善。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)使用德州儀器公司生產(chǎn)的單片機(jī)MSP430F149為核心控制模塊，外加一款集成GPS導(dǎo)航技術(shù)的四頻GSM/GPRS模塊的SIM908來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的主要功能，系統(tǒng)主要包含主控制器、GPS模塊、GSM模塊、GPRS模塊、模擬整合電路和電源模塊六個(gè)部分。其工作原理如下：系統(tǒng)通過(guò)GSM接收到用戶短信指令把控制器從低功耗狀態(tài)喚醒，然后激活GPS模塊定位，控制器通過(guò)串口接收GPS定位信息，再通過(guò)GSM模塊發(fā)送定位信息給用戶，如果必要用戶撥打GSM綁定的身份識(shí)別卡號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接聽(tīng)來(lái)電以此監(jiān)聽(tīng)目標(biāo)附近聲音信息，同時(shí)可以接收短信指令控制其GPRS模塊發(fā)送定位信息到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)軌跡的記錄;另外系統(tǒng)通過(guò)整合電路判斷其有危險(xiǎn)，會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)送報(bào)警信息，提示用戶關(guān)注其監(jiān)護(hù)對(duì)象動(dòng)態(tài)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 模擬調(diào)制電路

模擬調(diào)制電路主要包括二階語(yǔ)音放大電路和二階巴特沃斯濾波電路。二階放大電路主要作用是把駐極式咪頭采集的微弱聲音信號(hào)放大到合適幅值，二階巴特沃斯電路主要作用是調(diào)理聲音信號(hào)提取人耳能夠接收頻段的聲音信息。

如圖2所示，選用高精度高共模抑制比的雙通道的NE5532運(yùn)放作為放大器，經(jīng)過(guò)計(jì)算，放大倍數(shù)設(shè)置為6*10倍，把40mV峰峰值的聲音信號(hào)放大到2.4V，其中第一級(jí)放大電路的輸出經(jīng)過(guò)濾波電路作為GSM模塊語(yǔ)音信號(hào)的輸入，第二級(jí)輸出到控制器，經(jīng)過(guò)控制器內(nèi)部ADC采樣處理判斷周圍是否存在危險(xiǎn)，由于只需要對(duì)交流信號(hào)響應(yīng)，所以必須加隔直電容C7和C8。

圖2 二階放大電路

其仿真結(jié)果，由于隔直電容對(duì)信號(hào)的影響輸出信號(hào)和輸入信號(hào)存在著π/2相位差，由于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的延遲要求不高只需保證系統(tǒng)連續(xù)響應(yīng)，所以該結(jié)果不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。

3.2 二階巴特沃斯帶通濾波器

二階巴特沃斯帶通濾波器由高通濾波器和低通濾波器組成，由于人耳所能辨別的聲音主要頻帶為200Hz—8KHz，為了保證聲音信息的完整性，設(shè)計(jì)的帶通濾波器的同代頻率為200Hz—10KHz，調(diào)節(jié)反饋電阻選取合適濾波器品質(zhì)因數(shù)保證濾波器在截止頻率附近不會(huì)失真。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)流程

該系統(tǒng)主要程序包括ADC采樣處理、GSM控制和數(shù)據(jù)交互、GPS數(shù)據(jù)接收處理部分。ADC采樣處理部分主要是通過(guò)處理器內(nèi)部ADC采樣聲音信號(hào)，判斷其周圍環(huán)境是否存在危險(xiǎn)，ADC數(shù)據(jù)處理部分是以免環(huán)境干擾噪聲引起系統(tǒng)誤操作;GSM控制和數(shù)據(jù)交互部分主要是處理器通過(guò)串口發(fā)送AT指令控制GSM模塊收發(fā)短信和接聽(tīng)電話;GPS數(shù)據(jù)接收處理部分主要是解析GPS數(shù)據(jù)讀取其中的定位信息，GPS數(shù)據(jù)協(xié)議為NMEA，其中數(shù)據(jù)格式有GPPRMC、GPGSV、GPGSV和GPGGA等，我們需要對(duì)接收到的所有信息進(jìn)行篩選，解析出需要的定位信息。

4.2 串口通信

MSP430F149處理器自帶兩個(gè)串口可以和GSM模塊和GPS模塊通信，UART0為GSM通信接口，UART1為GPS接口，使用時(shí)需要根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議對(duì)其控制寄存器和模式寄存器進(jìn)行設(shè)置。

4.3 聲音信號(hào)處理程序

經(jīng)過(guò)處理器把聲音信息經(jīng)過(guò)處理后判斷有危險(xiǎn)，控制器會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)送預(yù)設(shè)置報(bào)警信息;當(dāng)收到用戶發(fā)送的定位短信指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制GPS定位并把定位信息通過(guò)短信返回給用戶。系統(tǒng)控制GSM發(fā)送短信是通過(guò)串口發(fā)送AT指令以此控制GSM模塊工作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4.4 GPS數(shù)據(jù)解析程序

系統(tǒng)中GPS接收機(jī)采樣NMEA0183協(xié)議進(jìn)行通信，返回的數(shù)據(jù)為一長(zhǎng)串字符流，其刷新速度為1赫茲，其數(shù)據(jù)格式由幀頭、幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀尾組成，數(shù)據(jù)幀不同，其幀頭不同，主要有$GPGGA、$GPGVA和$GPGSA等。該系統(tǒng)中只需要提取出$GPGGA數(shù)據(jù)幀當(dāng)中的經(jīng)緯度信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析時(shí)，先要根據(jù)幀頭提取$GPGGA數(shù)據(jù)幀，再根據(jù)其固定格式提取出其中的經(jīng)緯度信息。

5.測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 GPS靜態(tài)漂移測(cè)試及精度分析

使SIM908處于工作狀態(tài)，連續(xù)采集100次GPS數(shù)據(jù)，得到如圖3所示的定位分布圖。通過(guò)觀察數(shù)據(jù)得出，其分布在東經(jīng)30.67646215o ～30.67646970o，北緯104.13819173o～ 104.13819750 o。

圖3 GPS靜態(tài)漂移

誤差分析：由于測(cè)試場(chǎng)地為實(shí)驗(yàn)樓，而GPS為全向天線，建筑物對(duì)信號(hào)的遮擋和反射會(huì)對(duì)GPS精度造成一定的影響，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，其經(jīng)度偏差最大值為0.00000755°，換算成實(shí)際距離為0.77640425米，其緯度偏差最大值為0.00000577°，換算成實(shí)際距離為0.64458401米，根據(jù)勾股定理得出其靜態(tài)定位誤差為1.09米。實(shí)驗(yàn)表明，SIM908定位精度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

5.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)工作過(guò)后，使用綁定手機(jī)發(fā)送Return Position短信命令，利用百度地圖API可以讓系統(tǒng)返回百度地圖API網(wǎng)址，進(jìn)入網(wǎng)址后能夠直觀地看到系統(tǒng)所在位置，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)短信指令并及時(shí)反饋其精確位置信息，利用百度地圖API服務(wù)能夠清除直觀地監(jiān)護(hù)目標(biāo)位置信息，同時(shí)通過(guò)撥打電話還能掌握其周邊環(huán)境信息，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試

6.結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案通過(guò)手機(jī)短信利用百度地圖API隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控目標(biāo)的精確經(jīng)緯度信息，同時(shí)也可以根據(jù)需要監(jiān)聽(tīng)目標(biāo)附近聲音信息，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的目的。小型化處理設(shè)計(jì)過(guò)后能夠隨身攜帶，使用非常方便，可以應(yīng)用到兒童、老人和寵物身上，一旦他們走失，可以通過(guò)該系統(tǒng)輕松找到其所處位置，同時(shí)也可以應(yīng)用到汽車防盜等方面。因此具有極大的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：01310616036）“GSM/GPS監(jiān)護(hù)系統(tǒng)”。