武 一， 任海莉

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 天津 300401）

現(xiàn)在，由于生活條件和醫(yī)療條件越來越好，人類的壽命都有不同程度增長，導(dǎo)致老齡化[1]成為問題，同時由于國家計劃生育的有效執(zhí)行，獨(dú)生子女[2]也越來越多。 由于老人孩子本身的局限性， 當(dāng)他們遇到安全問題時不能依靠自己解決，需要中年人的幫助，而作為社會中堅力量的中年人本身壓力也很大，不能做到對老人孩子的時時保護(hù)，所以老人孩子的安全監(jiān)護(hù)越來越成為一個社會問題。

GPS（全球定位系統(tǒng)）能夠每天二十四小時為人類提供精確的服務(wù)，最早應(yīng)用于軍事，現(xiàn)在由于其方便靈活、質(zhì)優(yōu)價廉的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活。

GSM（全球移動通信系統(tǒng)）是一個采用時分多址技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)容量很大，接收發(fā)送信息都很靈敏，被廣泛應(yīng)用的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。 嵌入式系統(tǒng)[3]是一個以應(yīng)用為目的，可移植性高的專用計算機(jī)系統(tǒng)，它的體積很小，方便攜帶，所以很適合本論文所研究的系統(tǒng)。

針對老人孩子安全性這個現(xiàn)實問題，GPS 與GSM 的廣闊發(fā)展前景以及嵌入式的現(xiàn)實應(yīng)用，本論文提出了一種將GPS定位技術(shù)與GSM 通訊技術(shù)融合起來， 以嵌入式系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的核心，構(gòu)成的老人孩子定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。 主要包括GPS定位功能，協(xié)議解析及通過GSM 與手機(jī)通信。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

整個系統(tǒng)由個人終端設(shè)備，GSM 網(wǎng)絡(luò)， 手機(jī)終端3 部分組成。個人終端設(shè)備是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，它由ARM，GPS/GSM模塊以及一些外圍電路構(gòu)成，本論文的個人終端設(shè)備可以實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送。 GSM 網(wǎng)絡(luò)是個人終端系統(tǒng)和手機(jī)終端的傳輸介質(zhì)， 只要移動手機(jī)信號覆蓋到的地方，此網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)“在線”，非常適合應(yīng)用于對老人兒童的監(jiān)護(hù)。

整個系統(tǒng)的工作原理如下所示： 首先， 個人終端通過GPS 單元接收定位數(shù)據(jù)， 然后通過ARM 提取老人孩子所處的經(jīng)度、緯度信息，可視衛(wèi)星數(shù)目及時間信息，并將其存儲在內(nèi)存中。 然后個人終端通過GSM 網(wǎng)絡(luò)將提取好的定位信息發(fā)送給手機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的主要的組成部分有嵌入式處理器，SIM908 定位與信息傳輸模塊， 電源系統(tǒng)， 存儲系統(tǒng)， 按鍵及串口。S3C2440A 模塊作為主控制芯片， 對其他各個模塊系統(tǒng)的功能進(jìn)行協(xié)調(diào)實現(xiàn)， 最終實現(xiàn)GPS 定位，GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)Fig. 1 The whole system architecture hadrware

2.1 S3C2440A 模塊

S3C2440A 模塊是由Samsung 公司開發(fā)研制的， 它的出現(xiàn)是為了解決高端手持設(shè)備存在的一些問題， 它的內(nèi)核是ARM920T，它的處理器是16/32 位的RISC，主頻最高可達(dá)到400 MHz。該模塊的功耗相對起來比較低，而且具有高速的處理計算能力， 能解決一些實時性的問題。 該模塊可支持WinCE，、Linux 等系統(tǒng)， 由于Linux 系統(tǒng)具有源代碼開放，可裁剪等優(yōu)點(diǎn)， 經(jīng)常被應(yīng)用到PDA 等設(shè)備， 本論文就選擇了Linux 操作系統(tǒng)。 該模塊還集成了外圍存儲控制器、定時器、3個UART 通道、通用I/O 口等部件。

2.2 SIM 908 模塊

SIM908 模塊能實現(xiàn)GPS 的定位功能和通過GSM 網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，它具有體積小，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，很適合應(yīng)用于個人終端的手持設(shè)備。

GPS 定位系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成： 具有24 顆GPS 衛(wèi)星的空間部分， 還有包括主控站數(shù)據(jù)注入站以及監(jiān)測站的地面部分、以及用來接收處理定位信息的用戶接收部分[4]。 日常生活中，我們說到的GPS 一般只是指用戶接收部分，本論文研究的內(nèi)容也是此部分。用戶設(shè)備又包含接收GPS 衛(wèi)星發(fā)出相關(guān)信息的接收機(jī)與對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的數(shù)據(jù)處理兩部分。 GPS 定位系統(tǒng)工作的基本原理是，依據(jù)已經(jīng)發(fā)射上去的運(yùn)動速率很高的衛(wèi)星的某一時刻的瞬間位置作為已知數(shù)據(jù)，采用的計算方法是空間距離后方交會，確定出待測點(diǎn)的位置，在本論文中就是個人終端所在的位置[5]。

GPS 單元的接收類型為42 chn， 冷啟動是－143 dBm，時間是30 s，熱啟動時間1 s，準(zhǔn)確定位，精度＜2.5 mCEP，分定位狀態(tài)和導(dǎo)航狀態(tài)，本論文用到的是定位。

GSM 可工作在850/900/1 800/1 900 MHz 這4 種頻率下，滿足GSM（2/2+）標(biāo)準(zhǔn)，功耗低，本論文所用到的是GSM 的短消息（SMS）[6]功能，每條短消息可輸入的字符數(shù)不超過160。

SMS 有Block、Text、PDU 這幾種模式。 其中Block 出現(xiàn)較早，現(xiàn)在已經(jīng)不適用，PDU 模式編碼解碼較復(fù)雜，而且本論文只需傳輸數(shù)字與字母，所以使用Text 模式最為合適。 GSM 單元用AT 命令對其進(jìn)行控制，文中用到一些基本配置如下：

AT+CMGF=1，發(fā)短信息時，按照Text；

AT +CMGS = ” +8613752565216”， 綁 定 手 機(jī) 號 碼13752565216。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)的主要功能有：

1）定位功能：個人終端的GPS 模塊能對當(dāng)前所處位置進(jìn)行定位， 然后通過串口把定位信息傳輸?shù)浇K端的S3C2440A處理器上并將信息記錄下來。

2）數(shù)據(jù)的傳輸功能：個人終端通過GSM 模塊綁定一個手機(jī)終端（中國移動），兩者之間進(jìn)行信息傳輸，GSM 模塊接收手機(jī)終端發(fā)送來的請求GPS 信息等短消息，GSM 模塊執(zhí)行相應(yīng)操作，發(fā)送GPS 數(shù)據(jù)等短消息。

3）SOS 報警功能：當(dāng)老人孩子遇到危險或周圍人發(fā)現(xiàn)他們有危險時，可按下個人終端上的SOS 鍵，發(fā)出報警，綁定好的手機(jī)終端可接收到攜帶老人孩子當(dāng)前位置的短消息。

3.2 GPS 的軟件實現(xiàn)

本論文的GPS 定位信息所符合的協(xié)議是NMEA0183 協(xié)議[7]，導(dǎo)航的定位語句一般由幀頭、幀尾和幀內(nèi)的信息組成，包含很多種，如GGA、GLL 等。 其中，區(qū)別語句的關(guān)鍵因素是幀頭，語句確定之后，相應(yīng)的幀內(nèi)數(shù)據(jù)也就確定了。 通過對各數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容進(jìn)行分析，得到GPS 數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息、時間信息以及一些其他相關(guān)信息。 本設(shè)計用到的語句是RMC 和GSV。 RMC 的格式如下所示:

$GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞*hh＜CR＞＜LF＞

本論文定位出的一條語句如下：

$GPRMC，085134.000，A，3913.961348，N，11702.980013，E，0.000，，253.5，270714，，，A*6C

其中，本論文用到的相關(guān)數(shù)據(jù)幀的說明與例子的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 RMC 格式Tab. 1 RMC format

GSV 的格式如下所示：

$GPGSV，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞*hh＜CR＞＜LF＞

其中＜3＞為顯示衛(wèi)星的總數(shù)目00～12，其他標(biāo)號在此試驗中未涉及到。

在解析數(shù)據(jù)時， 需要判別ASCII 碼的幀頭是“GPRMC”或是“GPGSV”，若檢驗無誤，則確定本幀數(shù)據(jù)是可用數(shù)據(jù)，通過對此幀數(shù)據(jù)的解析，可以獲得當(dāng)前可視衛(wèi)星數(shù)目、經(jīng)度、緯度及時間，并存儲。 GPS 對定位的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的過程如圖2 所示。

圖2 GPS 軟件流程圖Fig. 2 GPS software flowchat

3.3 GSM 的軟件實現(xiàn)

GSM 的主要功能是作為一種無線通道，傳輸GPS 數(shù)據(jù)，同時它還可接收手機(jī)終端的請求命令，GSM 的短消息發(fā)送流程圖如圖3 所示。

圖3 發(fā)送短消息的流程圖Fig. 3 Flowchat to send a short message

3.4 老人兒童監(jiān)護(hù)系統(tǒng)個人終端的軟件實現(xiàn)

首先電腦將應(yīng)用程序通過FTP 下載到ARM9 芯片中并運(yùn)行程序。 則GPS 模塊工作并通過UART1 將接收到的符合GPS NAME 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳給ARM9，之后對協(xié)議進(jìn)行解析，以及存儲解析之后的數(shù)據(jù)。 當(dāng)ARM9 芯片接收到手機(jī)的短信請求或者按下按鍵，GSM 模塊通過UART1 從ARM9 中得到GPS 信息，并將GPS 信息通過短信的形式發(fā)送給手機(jī)。

4 老人兒童監(jiān)控系統(tǒng)的實驗結(jié)果

老人兒童定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的平臺搭建完成后，要對其進(jìn)行各個模塊和系統(tǒng)的整體調(diào)試。調(diào)試分為GPS 的準(zhǔn)確性調(diào)試和GSM 的準(zhǔn)確性調(diào)試。

4.1 GPS 的調(diào)試

測試GPS 單元， 查看串口接收到的GPS 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實效性。 提取的GPS 信息數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 定位出的導(dǎo)航電文Fig. 4 Locate the navigation message

之后對上述導(dǎo)航電文進(jìn)行解析，得到定位數(shù)據(jù)。

4.2 GSM 的調(diào)試

測試GSM 單元，本論文中GSM 主要實現(xiàn)GPS 數(shù)據(jù)到手機(jī)終端的傳輸，從手機(jī)終端上可以看到日期，時間，經(jīng)度以及緯度信息，如圖5 所示。

圖5 手機(jī)終端接收到的GPS 定位數(shù)據(jù)Fig. 5 Mobile terminal receines GPS location data

5 結(jié) 論

文中提出的一種基于S3C2440A 的GPS 定位GSM 短消息傳輸?shù)睦先撕⒆佣ㄎ槐O(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)圖和G 各單元的軟件設(shè)計以及兩者協(xié)調(diào)工作的軟件流程圖。從實驗結(jié)果我們可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對老人孩子的定位監(jiān)護(hù)功能以及SOS 報警功能， 系統(tǒng)具有一定的可靠性，應(yīng)用前景可觀。

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