趙意鵬，趙河明，鄧星星，張樹云，連云飛

（中北大學 機電工程學院，太原 030051）

在控制領域中，隨著計算機技術的發(fā)展，精確的定位系統顯得尤為重要。目前各行業(yè)都已經或正在進行監(jiān)測、定位等一體化的系統建設，這些系統的建設在實際生產中為檢測系統故障并準確地定位故障位置提供了重要保障，為工作人員能夠迅速的排除故障提供了依據。

傳統的定位系統不僅結構復雜、定位精度不高，而且還受地域的限制?？紤]到GPRS技術是一種全新的無線通信方式，并且具有高速可靠、實時性強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，因此本系統以GPRS網絡為載體向監(jiān)控中心發(fā)送數據信息，進而調用百度地圖API來實現精確定位。此方法運用于消防方面，可以快速準確地定位火災地點，從而及時出警，減少財產損失。

1 火災定位系統組成及工作原理

本系統主要由火災探測器、單片機STC15F2K60S2、GPRS 模塊 SIM900A和監(jiān)控中心4部分組成，其總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構Fig.1 System overall structure

在本系統中，單片機STC15F2K60S2通過RS-485總線監(jiān)測多個火災探測器，當某個探測器出現報警時，單片機檢測到該信號，通過AT指令來控制GPRS模塊SIM900A，使其將該探測器的地址信息通過GPRS網絡和以太網發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據接收的信息在人為操作下通過API接口調用百度地圖來定位火災地點，并規(guī)劃最佳的行駛路線。這樣就實現了遠程終端設備和監(jiān)控中心PC設備間的數據傳輸。

2 監(jiān)控終端的硬件設計

2.1 電源電路設計

在本系統中，使用的單片機STC15F2K60S2的工作電壓為+5 V，GPRS模塊SIM900A的工作電壓為+4.2 V，所以在設計中用了2個穩(wěn)壓芯片LM2596S-5和MIC29302來構成穩(wěn)壓電路分別為其供電，保證了供電的穩(wěn)定性，提高了抗干擾能力，電路如圖2所示。其中，+12 V電源通過接到POWER上的電源適配器來提供。

2.2 單片機與RS-485總線接口設計

單片機STC15F2K60S2的TTL電平需轉換之后才能與RS-485總線上的RS-485電平相連，本設計中采用MAX485作為TTL電平與RS-485電平之間的轉換芯片。它采用半雙工通訊方式，在接收差分信號端A和發(fā)送差分信號端B之間加上120 Ω的匹配電阻，以減小不匹配引起的信號反射[1]，其電路如圖3所示。

圖2 穩(wěn)壓電路Fig.2 Regulating circuit diagram

圖3 MAX485電路Fig.3 MAX485 circuit diagram

2.3 SIM900A電路設計

該定位系統使用SIM900A的電源接口、串行接口和SIM卡槽接口。在電源供電的條件下，單片機通過串行接口與SIM900A模塊進行通信，使開通GPRS功能的SIM卡能通過GPRS網絡連接到Internet，將現場數據發(fā)送到監(jiān)控中心。其電路如圖4所示。在電路圖中，單片機與SIM900A間用100 Ω的電阻來匹配阻抗，SIM卡槽與SIM900A間用1 k電阻來匹配阻抗[2]。

3 監(jiān)控終端的軟件設計

3.1 主程序設計

主程序主要是對I/O端口、串口等初始化，初始化之后對GPRS模塊進行基本信息檢查，若檢查失敗，則繼續(xù)檢查直到成功。當GPRS模塊處于正常狀態(tài)時，單片機STC15F2K60S2開始通過RS-485總線檢測各火災探測器，當某個探測器出現報警時，單片機就將該探測器的地址信息發(fā)送到監(jiān)控中心，實現報警。程序流程如圖5所示。

圖4 SIM900A與單片機、SIM卡的通信電路Fig.4 Circuit diagram of SIM900A communicating with MCU and the SIM card

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of the main program

3.2 GPRS網絡的數據傳輸

本系統采用SIMCom公司生產的緊湊型GPRS模塊SIM900A，該模塊屬于雙頻GSM/GPRS模塊，內嵌TCP/UDP協議，通過AT指令就能直接接入Internet，與監(jiān)控中心通信，省去了TCP/IP處理模塊。

AT指令集是從終端設備（TE）或數據終端設備（DTE）向終端適配器（TA）或數據電路終端設備（DCE）發(fā)送的。它是一個接口標準，以“AT”或“at”為首，字符結束的字符串，是微處理器通過串口操作GSM/GPRS模塊或手機的指令集，通過它可以控制很多通信行為，如撥號、短信、數據業(yè)務和傳真等[3]。

利用AT指令經GPRS模塊SIM900A向監(jiān)控中心發(fā)送數據需要以下3步。

第1步SIM900A的初始化：

AT //檢測模塊是否響應

AT+CSQ //查詢信號強度

AT+CREG? //查詢網絡注冊

AT+COPS? //查詢網絡運營商

AT+CGATT? //檢測是否支持GPRS

通過對模塊SIM900A的檢測與查詢，若能正常工作，則進入下一步的操作，若不能，則重新進行初始化。

第2步與監(jiān)控中心建立網絡連接：

AT+CIPSTART=“，，” //建立TCP連接或注冊UDP端口號

其中表示連接類型，“TCP”為建立TCP連接，“UDP”為建立UDP連接；表示遠端服務器IP地址；表示遠端服務端口。

本系統選用TCP作為連接類型，IP地址為221.2.82.90，端口號為9999。如果發(fā)送格式正確，返回“OK”，否則返回“+CME ERROR”；如果連接已經存在，返回“ALREAY CONNECT”，如果連接成功，返回“CONNECT OK”，否則返回“CONNECT FAIL”。

第3步向監(jiān)控中心發(fā)送數據：

AT+CIPSEND //發(fā)送數據

SIM900A模塊響應 “+CIPSEND： OK”，其中表示每次可以發(fā)送的數據最大值。

通過以上的檢測和設置，GPRS模塊SIM900A就與監(jiān)控中心建立了TCP連接，在執(zhí)行完 “AT+CIPSEND ”指令后，單片機就可以通過串口與SIM900A通信，向監(jiān)控中心發(fā)送數據。如串口發(fā)送：sendstr（"DeviceCode：A1，StatusCode：2，CityCode：Linyi，CountyCode：Lanling，CompanyCode：shibeimei"），表示設備號為A1的火災探測器出現報警，地址位于臨沂市蘭陵縣史貝美公司。其中，DeviceCode為監(jiān)測設備號；StatusCode為狀態(tài)號，1表示正常，2表示報警；CityCode為市代號，CountyCode為縣代號；CompanyCode為公司名稱。

以此就實現了遠程監(jiān)控終端設備與監(jiān)控中心之間的無線通信，且該終端可安裝在GPRS網絡覆蓋的任何位置，組網方式靈活方便。

4 監(jiān)控中心設計

4.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個系統的核心，主要用來通過預先設定的 IP 地址（221.2.82.90）和端口號（9999）接收遠程終端設備發(fā)送的地址信息，存儲更新到MySQL數據庫中。它采用Java語言來編寫和B/C網絡結構模式，具有很好的移植性。任何能聯網的PC打開其瀏覽器后均可作為監(jiān)控端，通過驗證用戶名和密碼，登陸監(jiān)控中心界面。

在系統工作中，Web服務器創(chuàng)建監(jiān)聽線程，在端口接收到數據時，根據數據庫中定義的數據格式，如探測器編號、狀態(tài)、地點等，按要求將數據保存到MySQL數據庫中。在收到監(jiān)控端發(fā)送來的定位請求時，首先對其進行認證，通過后才響應它的請求，生成1個符合百度地圖API接口規(guī)范的JSP定位代碼，返回給監(jiān)控端，從而實現定位[4]。其程序流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)控中心程序流程Fig.6 Flow chart of the monitoring center program

4.2 百度地圖API

百度地圖API是一套由JavaScript語言編寫的將復雜的GIS底層邏輯封裝起來的應用程序接口，通過該接口把監(jiān)控中心和地理信息數據結合，使用戶可以從地圖服務和開發(fā)2個方面方便地進行地理信息系統的應用。因此，本系統不需要開發(fā)GIS，只需在網頁中插入調用百度地圖API接口的代碼，就能在網頁中嵌入地圖并對其進行操作，使用豐富的GIS資源，大大縮短了開發(fā)周期[5]。

百度地圖API免費對外開放，但是從v1.5版本開始，需要先申請密鑰（ak）才可使用，接口（除發(fā)送短信功能外）無使用次數限制。使用前需要通過