王 妍， 史旭濤， 宮銘舉，曹麗娜

(天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300384)

基于單片機(jī)的采集與處理北斗定位信息系統(tǒng)*

王 妍， 史旭濤， 宮銘舉，曹麗娜

(天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300384)

針對當(dāng)代社會空巢老人的增多，突發(fā)意外時(shí)不能及時(shí)呼救的問題，設(shè)計(jì)了一款基于北斗定位系統(tǒng)的集應(yīng)急報(bào)警與信息交互為一體的多功能報(bào)警器。該報(bào)警器采用雙串口單片機(jī)為主處理器，以北斗定位模塊為核心，結(jié)合GSM無線通信模塊、液晶顯示模塊及蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警并發(fā)送所在位置信息的功能。簡述了硬件與軟件的實(shí)施方案及定位信息采集原理，通過多方面對比北斗與GPS定位模塊的速度與檢測衛(wèi)星數(shù)來比較二者性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有定位快速、可靠性與穩(wěn)定性較高等特點(diǎn)。

北斗定位系統(tǒng)；信息采集；GSM通信；單片機(jī)

0 引言

隨著社會的逐漸老齡化,當(dāng)老人們外出發(fā)生意外時(shí)，周圍人因不了解情況無法采取正確措施，家人因不知道事發(fā)地點(diǎn)無法及時(shí)營救，這已成為嚴(yán)重的社會問題，人們對老人呼救報(bào)警器的需求越來越高。現(xiàn)階段報(bào)警器多為GSM呼救器[1]，對定位應(yīng)用較少。而作為空間基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可應(yīng)用于老年人遇險(xiǎn)定位。我國自主研發(fā)北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)[2]具有全天候快速定位、無定位盲區(qū)、高度可靠與穩(wěn)定等優(yōu)越性，對我國在經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、綜合國力的提高起到了促進(jìn)與推動作用，北斗定位系統(tǒng)將成為中國導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的趨勢[3]。

本文設(shè)計(jì)一種以STC雙串口單片機(jī)為主處理器，以北斗定位模塊為核心,集液晶顯示模塊、蜂鳴器、GSM無線通信模塊為一體的多功能報(bào)警器。當(dāng)老人或弱勢群體發(fā)生意外時(shí)，按下報(bào)警按鍵，蜂鳴器響起，引起周圍群眾的注意，液晶屏上顯示重要信息，如過敏史、藥品位置與家人信息等，提醒援救人員采取正確措施。北斗定位模塊將定位信息傳給單片機(jī)，并通過GSM無線通信模塊將定位信息發(fā)送到家人手機(jī)中，使傷者得到及時(shí)營救。相較于傳統(tǒng)通用的GPS定位系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用北斗定位系統(tǒng)，具有更好的抗干擾能力、更快的定位速度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由雙串口單片機(jī)、北斗定位UM220-ⅢN模塊、GSM無線通信SIM900A模塊、液晶屏顯示模塊LCD12864和蜂鳴器組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。利用雙串口的STC12C5A60S2單片機(jī)，一路將北斗定位模塊接收的定位報(bào)文數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，通過單片機(jī)芯片內(nèi)部預(yù)先編寫好的程序?qū)Χㄎ恍畔⑦M(jìn)行擇優(yōu)采集并解析，將其經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成高斯平面坐標(biāo)，最后將需要的解析完畢的信息由GSM無線通信模塊SIM900A發(fā)送到預(yù)定手機(jī)號碼中，用戶便可得到報(bào)警人具體的地址信息。液晶顯示模塊負(fù)責(zé)顯示報(bào)警人的重要信息，蜂鳴器引起周圍群眾的注意，實(shí)施救援。

圖1 多功能報(bào)警器總體系統(tǒng)框圖

2 北斗定位信息格式與提取

北斗UN220-Ⅲ模塊上電后，會每隔一定時(shí)間返回一定格式的數(shù)據(jù)幀，因北斗定位模塊采用NMEA0183傳輸協(xié)議[4],所以其數(shù)據(jù)格式與全球定位系統(tǒng)(GPS)[5]基本相同，其數(shù)據(jù)格式為：“$——信息類型，x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x”。每幀的起始字符都是“$”，緊接著為信息類型，而后是定位參數(shù)，各信息間均以逗號分隔。一幀完整的信息格式如下所示：

$GNRMC,123400.000,A,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,181.631, 110415,,,*CS

以上數(shù)據(jù)幀表示的意義如下：GNRMC表示推薦最小定位；123 400.000表示當(dāng)前時(shí)間為12時(shí)34分00秒；A表示有效定位；4 002.217 821表示緯度；N表示北緯；11 618.105 743表示經(jīng)度；E表示東經(jīng)；0.026表示速率；181.631表示航向，指的是偏離正北的角度；110415表示日期；*為語句結(jié)束標(biāo)識符；CS表示從$開始到*之間所有ASCII碼進(jìn)行異或得到的16進(jìn)制數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與解析是通過STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)設(shè)程序完成的，首先通過識別幀數(shù)據(jù)的啟示字符ASCII碼“$”來進(jìn)行數(shù)據(jù)幀信息提取，再通過信息類型的判斷來選擇接收，識別正確后，再通過檢索“，”來確定當(dāng)前北斗模塊所接收的定位參數(shù)，從中提取需要的定位信息，本系統(tǒng)僅提取與解析GNRMC中經(jīng)緯度和時(shí)間等信息。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2單片機(jī)是一個(gè)具有超快速度、超強(qiáng)抗干擾能力、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的雙串口單片機(jī)[6]，本系統(tǒng)中串口1接收北斗定位模塊的數(shù)據(jù)信息，并對其進(jìn)行解析；串口2將解析完畢的坐標(biāo)通過GSM無線通信模塊發(fā)送到預(yù)定手機(jī)號碼中。通過按鍵控制單片機(jī)P3～P7的高低電平，使蜂鳴器、液晶顯示模塊及北斗定位模塊開始工作。

3.1 北斗定位模塊

北斗定位模塊UM220-ⅢN硬件原理如圖2所示。

圖2 北斗定位模塊UM220-ⅢN原理圖

北斗定位采用的是UM220-ⅢN模塊，該模塊基于雙系統(tǒng)多頻率高性能低功耗GNSS SoC芯片，該芯片可同時(shí)支持高達(dá)6路不同頻率的衛(wèi)星信號，涵蓋北斗等4大導(dǎo)航系統(tǒng)的12個(gè)頻點(diǎn)，可對抗數(shù)十個(gè)單音干擾，支持毫米測量精度。前段芯片采用RFIC,該芯片集成了低噪放(LNA)、混頻器(MIXER)、中頻放大和濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)、自動增益控制以及本振頻率合成器等。綜合兩芯片，實(shí)現(xiàn)了通過外部天線對北斗定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收。

UM220-ⅢN的串口(UART)1為主串口，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，將串口1的TXD與單片機(jī)串口1的RXD連接，使接收的定位數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)內(nèi)。默認(rèn)波特率為9 600 b/s。

3.2 GMS無線通信模塊

GSM無線通信模塊SIM900A硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 GSM無線通信模塊SIM900A原理框圖

GSM模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊[7],其內(nèi)部設(shè)有存儲器、基帶信號、射頻，它的工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1、CS-2、CS-3及CS-4。其外圍電路由天線(進(jìn)行信號的網(wǎng)絡(luò)注冊)、串口UART(通過MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化)、數(shù)據(jù)輸入輸出端(GPIO)、音頻、電源接口、信號指示燈(LCD)和SIM卡槽組成，通過AT指令集進(jìn)行短信的收發(fā)及語音通話等。

通過STC12C5A60S2雙串口單片機(jī)進(jìn)行供電，將單片機(jī)串口2的TXD與SIM900A模塊的RXD相連，串口2的RXD與SIM900A的TXD相連，使GSM無線通信模塊SIM900A與單片機(jī)相通，實(shí)現(xiàn)定位信息的發(fā)送。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要完成北斗定位信息的采集、單片機(jī)對定位信息提取與解析、定位信息通過GSM發(fā)送并通過液晶顯示模塊顯示。上電后，首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，通過按鍵控制使蜂鳴器響起，液晶顯示屏開始顯示，與此同時(shí)北斗定位模塊通過天線接收定位幀信息，接收正確后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理流程，單片機(jī)通過識別起始符“$”對定位信息類型GNRMC進(jìn)行判斷，若正確則進(jìn)行該信息幀的接收與解析，否則繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，解析完成后將得到的高斯平面坐標(biāo)發(fā)送給GSM模塊，最終由GSM模塊轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)用戶。軟件編程采用C語言，語法靈活，運(yùn)行速度快，實(shí)行效率高。程序流程圖如圖4所示。

圖4 北斗定位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)程序流程圖

5 北斗與GPS模塊接收定位數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)研究

在對北斗定位系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)接收定位數(shù)據(jù)對比的實(shí)驗(yàn)研究中，北斗與GPS定位系統(tǒng)分別采用UM220-ⅢN模塊和UBLOX-GPS模塊，在多功能報(bào)警器的樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5月份(夏季)，地點(diǎn)在北緯N 3904′19.27″,東經(jīng)11 707′31.84″附近,對時(shí)間的定時(shí)采用秒表計(jì)算,對衛(wèi)星數(shù)的測量采用u-center軟件進(jìn)行檢測。

5.1 不同時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)研究

對于不同時(shí)間段的UM220-ⅢN模塊與UBLOX-GPS模塊的對比實(shí)驗(yàn)研究，一天中天氣無明顯差異(相對濕度平均為30%)，結(jié)果如表1所示。

表1 同一地點(diǎn)不同時(shí)間對比數(shù)據(jù)表格

注：T：定位時(shí)間N：檢測衛(wèi)星數(shù)

分析：測試結(jié)果顯示，在無明顯天氣變化的一天中，午間與傍晚定位速度較快，夜間則較慢?？傮w來說，北斗UN220-ⅢN要比UBLOX-GPS定位時(shí)間快，檢測衛(wèi)星數(shù)多。反映出北斗的性能要優(yōu)于GPS。

5.2 不同天氣的實(shí)驗(yàn)研究

對于不同天氣情況的UM220-ⅢN模塊與UBLOX-GPS模塊的對比實(shí)驗(yàn)研究中，晴天的相對濕度為26%，小雨天的相對濕度為55%，陰天的相對濕度為43%，大風(fēng)天的相對濕度為32%。結(jié)果如表2所示。

表2 同一地點(diǎn)不同天氣對比數(shù)據(jù)表格

注：T：定位時(shí)間N：檢測衛(wèi)星數(shù)

分析：測試結(jié)果顯示，不同的天氣情況對于信號與衛(wèi)星的接收有較小的影響，對于UM220-ⅢN來說，定位時(shí)間與檢測衛(wèi)星數(shù)有微小的變化，但對于UBLOX-GPS來說，雨天對于定位時(shí)間有較大的影響，定位時(shí)間明顯加長。總體對比來說，針對不同天氣情況的外界因素，北斗模塊具有較好的抗干擾能力。

5.3 不同位置的實(shí)驗(yàn)研究

對于不同位置的UM220-ⅢN模塊與UBLOX-GPS模塊的對比實(shí)驗(yàn)研究中，對不同位置的實(shí)驗(yàn)所選時(shí)間一致，天氣情況(或相對濕度28%)基本相同。結(jié)果如表3所示。

表3 同一時(shí)間不同位置對比數(shù)據(jù)表格

注：T：定位時(shí)間N：檢測衛(wèi)星數(shù)

分析：根據(jù)測試結(jié)果顯示，北斗定位UM220-ⅢN模塊和GPS 定位UBLOX-GPS模塊均在不同的地理位置對于信號接收速度與衛(wèi)星檢測數(shù)量上有較大影響，在室外空曠地帶定位速度快，檢測衛(wèi)星數(shù)較多，而在樓道或室內(nèi)則效果較差，隨著位置地點(diǎn)的優(yōu)化，定位時(shí)間隨之減少，檢測衛(wèi)星數(shù)增加。

總結(jié)：不同時(shí)間、不同天氣情況、不同地點(diǎn)都會對北斗與GPS的定位數(shù)據(jù)有一定的影響，而不同位置情況影響較為顯著。但總體來說，北斗的UM220-ⅢN對比與UBLOX-GPS定位速度很快，檢測衛(wèi)星數(shù)較多，具有較好的調(diào)節(jié)作用。

6 結(jié)論

本文采用單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于北斗衛(wèi)星定位信息采集與處理終端接收北斗定位信息，通過GSM無線通信模塊SIM900A發(fā)送地址信息和液晶屏顯示重要信息的多功能報(bào)警器，并對其硬件與軟件進(jìn)行了深入討論。該報(bào)警器簡單、便捷，為廣大的普通老年百姓獨(dú)自出行發(fā)生意外提供了報(bào)警系統(tǒng)，保障生命安全。本系統(tǒng)以我國自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)的UM220-ⅢN為核心，通過實(shí)驗(yàn)研究中北斗定位UM220-ⅢN模塊與GPS定位UBLOX-GPS模塊在各個(gè)方面的對比，可以清晰地看出北斗定位系統(tǒng)具有更快的定位速度、更高的穩(wěn)定性。

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史旭濤(1993-)，學(xué)士，主要研究方向：通信信號處理。

宮銘舉(1978-)，博士，副教授，主要研究方向：通信信號處理。

A collecting and disposing system for BDS based on single chip microcomputer

Wang Yan, Shi Xutao, Gong Mingju, Cao Lina

(School of Computer and Communication Engineering, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

In view of the increases of contemporary social empty-nesters and the problems of can not call for help in time when sudden accidents occur, this paper designs a model of the multi-function alarm for the integration of emergency alarm and information interaction based on BDS(Beidou Navigation Satellite System). Adopting the dual-serial-port single-chip as the main processor, taking BDS positioning module as the core, incorporating the GSM(Global System for Mobile Communication) wireless communication module, liquid crystal display module and the buzzer, this system achieves the function of alarming rapidly and sending the information of location. This paper expounds the implementing scheme of hardware and software, as well as the principle of positioning and collecting information. Through various contrasts DBS with the speed of the GPS module and the number of its detecting satellites to compare both performances, experimental results demonstrate this system enjoys the characteristics of rapid positioning, high reliability and stability, etc.

Beidou navigation satellite system; collecting information; GSM communication; single-chip microcomputer

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410060011)

TP277

A

1674-7720(2016)02-0051-03

王妍，史旭濤，宮銘舉. 基于單片機(jī)的采集與處理北斗定位信息系統(tǒng)[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(3)：51-53,59.

2015-08-24)

王妍(1993-)，女，學(xué)士，主要研究方向：通信信號處理。