路 朋， 謝麗蓉， 毛增闖， 常一峰， 胡婷婷

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047; 2.江蘇蘇科暢聯(lián)科技有限公司,江蘇 南京 211112)

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·計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于GPS和GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究與設(shè)計

路 朋1， 謝麗蓉1， 毛增闖2， 常一峰1， 胡婷婷1

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047; 2.江蘇蘇科暢聯(lián)科技有限公司,江蘇 南京 211112)

針對煤礦復(fù)雜環(huán)境下現(xiàn)場數(shù)據(jù)不易采集、數(shù)據(jù)缺失等問題，利用實驗室實訓(xùn)平臺，給出一種把GPS和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定位集成在一起的基于GPS和GPRS的數(shù)據(jù)傳輸定位系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)不間斷傳輸。描述了硬件設(shè)計，包括主控STM32F103電路、GPS模塊NEO-6M外圍電路、GPRS模塊SIM900A外圍電路、電源模塊電路等；完成了軟件設(shè)計，包括程序的編制與調(diào)試；實現(xiàn)了接打電話、收發(fā)短信、GPS顯示經(jīng)緯度等設(shè)計。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，顯示效果良好。

GPS； GSM/GPRS； STM32； 數(shù)據(jù)傳輸

0 引 言

GPS的定位系統(tǒng)在天氣不佳時，特別在高架橋下、高樓邊角和隧道等地，其定位效果會受到相當(dāng)大的影響，甚至無法進(jìn)行定位[1]。從工控領(lǐng)域來講，由于存在需要監(jiān)控的區(qū)域廣、監(jiān)控的對象種類繁多的原因，因而需要花費大量的人力、物力和財力進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)，同時存在許多條件惡劣、人們不易到達(dá)或不能時刻停留的地方需要偶爾采集一些現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如果進(jìn)行大量的布線工作則是不經(jīng)濟(jì)、不合理，為了解決以上問題，文獻(xiàn)[2]運用GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對公交車輛的定位和監(jiān)控，文獻(xiàn)[3-5]運用GPS實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析并實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。

本文設(shè)計的基于GPS和GPRS數(shù)據(jù)傳輸定位系統(tǒng)總體設(shè)計，分為硬件和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計主要包括主控STM32F103硬件設(shè)計、GPS模塊NEO-6M外圍電路設(shè)計、GPRS模塊SIM900A外圍電路設(shè)計、電源模塊電路等設(shè)計；軟件設(shè)計主要包括主界面顯示、打電話發(fā)短信界面顯示、GPS測試界面顯示、GPRS測試界面顯示等設(shè)計。各模塊之間通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，其中，主控和NEO-6M、SIM900A之間則用2個串口連接，對于主控而言，一端接收另一端發(fā)送。而NEO-6M則通過現(xiàn)成的制作精良的有源天線來接收來自衛(wèi)星的信號，SIM900A通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)到INTERNET。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試實現(xiàn)了接打電話、收發(fā)短信、GPS顯示經(jīng)緯度等設(shè)計，設(shè)計出的人機(jī)界面環(huán)境友好，使用方便[6-7]。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900A作為GPRS模塊，STM32F103RBT6作為主控芯片，Ublox公司生產(chǎn)的NEO-6M作為GPS模塊。各模塊之間通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)[8-9]，其中，主控和NEO-6M之間通過STM32的串口2來傳輸信息，而主控和SIM900A之間則用串口1，對于主控而言，一端接收另一端發(fā)送。而NEO-6M則通過現(xiàn)成的制作精良的有源天線來接收來自衛(wèi)星的信號，SIM900A通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)到INTERNET，總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計原理框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控STM32F103硬件設(shè)計

STM32F103RBT6是64腳的LQFP封裝，可以直接手工焊接。其中，對應(yīng)的電源管腳都要就近接上至少一個0.1 μF的電容，起到旁路保護(hù)芯片的作用；晶振采用8M無源晶振，內(nèi)部經(jīng)9倍頻后變?yōu)?2 MHz供MCU工作；另外在PB13腳外接一個貼片LED，供測試用。

BOOT0和BOOT1的設(shè)置：BOOT0和BOOT1全部通過一個10 kΩ電阻接地，確保其啟動區(qū)域為正常模式下的用戶閃存區(qū)域。BOOT0和BOOT1的設(shè)置如表1。

表1 BOOT0和BOOT1的設(shè)置

下載口原理圖如圖2所示，可以利用該接口通過JTAG口、串口進(jìn)行下載程序。

圖2 下載接口原理圖

2.2 GPS模塊NEO-6M外圍電路設(shè)計

由于GPS模塊內(nèi)部集成模塊的復(fù)雜性，所以該模塊采用的是現(xiàn)成的集成模塊NEO-6M，只需要搭建外圍電路。引腳3是脈沖輸出引腳，外接LED可以判斷定位狀態(tài)，下拉到地的情況下：常滅表示沒有定位，燈閃爍表示定位成功。

2.3 GPRS模塊SIM900A外圍電路設(shè)計

同GPS模塊一樣，采用的也是集成好的現(xiàn)成模塊，對于SIM900A的外圍電路分為音頻模塊、串口模塊、SIM卡模塊等；K2是開關(guān)機(jī)鍵，上電后按下1 s可以開機(jī)，再按下1 s可以關(guān)機(jī)；天線采用外接天線，不需要太強信號即可實現(xiàn)GPRS入網(wǎng)；M1是麥克風(fēng)接口，M2是耳機(jī)接口，通過這兩個接口就可以清晰順暢地接聽電話了；備用電源也是采用可充電的XH414，兩個模塊可以共用一個電池。

2.4 硬件實物圖

主要有三個模塊：主控模塊、GPS模塊、GPRS模塊；其中主控模塊又分為：電源模塊、LCD顯示模塊、串口模塊；GPRS模塊又分為電源模塊、音頻模塊、SIM卡模塊、串口模塊[10]。焊接后的主板如圖3所示。

圖3 焊接后的主板

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為使測試系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，在系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的方法，先設(shè)計出一個主界面，之后在設(shè)計分界面[11-15]。系統(tǒng)包括軟件主界面、打電話測試界面、短信界面、GPS界面、GPRS測試界面等；系統(tǒng)程序流程圖4所示，當(dāng)用戶啟動運動系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，顯示主界面，然后輸入相應(yīng)的功能參數(shù)，數(shù)據(jù)輸入正確后執(zhí)行相應(yīng)的功能。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.1 打電話發(fā)短信界面設(shè)計

打電話界面設(shè)計，進(jìn)入該界面之后，調(diào)用畫鍵盤函數(shù)：sim900a_load_keyboard(0，180，(u8**)kbd_tbl1);其中，extern u8* kbd_tbl1[15]={“0”“1”“2”“3”“4”“5”“6”“7”“8”“9”“*”“#”“DEL”“C/S”“HAL”};0～9是數(shù)字鍵，按下相應(yīng)的數(shù)字可以撥出號碼；DEL是刪除鍵，輸入錯誤的時候可以刪除；C/S是撥打和發(fā)送共用鍵；HAL是掛斷電話鍵；

進(jìn)入觸摸函數(shù)后，只要有數(shù)字按鍵輸入，就可以通過相應(yīng)的算法得出相應(yīng)的按鍵值，如：

if(Pen_Point.X0<(j*80+80)&&Pen_Point.X0>(j*80)&&Pen_Point.Y0<(i*28+208)&&Pen_Point.Y0>(180+i*28))

{

key=i*3+j;

}

把鍵值存入數(shù)組callbuf[]，便于后續(xù)處理；只要按下C/S鍵，就可以通過printf("ATD%s; "，callbuf);將按鍵值通過串口以AT指令的格式發(fā)送出去，模塊得到該指令就可以做出相應(yīng)的操作，如圖5；發(fā)短信界面見圖6，把鍵值存入數(shù)組callbuf[]后，按下C/S鍵，就可以通過printf("ATD%s; "，callbuf);將按鍵值通過串口以AT指令的格式發(fā)送出去，模塊會在程序控制下自動發(fā)送一條固定的短信“Can you receive it? This is just a test!”模塊得到該指令就可以自動發(fā)送該短信。

圖5 打電話界面

圖6 短信界面

3.2 GPS測試界面設(shè)計

界面主要是用來顯示接收到的處理后的衛(wèi)星信息。界面顯示經(jīng)度Longitude、維度Latitude、海拔高度Altitude、運行速度Speed、捕獲模式Fix Mode、可用于定位的衛(wèi)星數(shù)Valid satellites、可見衛(wèi)星數(shù)Visible satellites、日期和世界時間即英國時間，北京時間相應(yīng)地加8 h就可以，經(jīng)測試完全正確。

3.3 GPRS測試界面設(shè)計

運用設(shè)計電話短信界面思路，調(diào)用的數(shù)組是extern u8* kbd_tbl2[15]={"0"，"1"，"2"，"3"，"4"，"5"，"6"，"7"，"8"，"9"，"."，"SHUT"，"DEL"，"CONNECT"，"CLOSE"}；

如圖7所示，其中0～9及‘.’是用于輸入IP地址；SHUT用于關(guān)閉場景，在每次連接出錯，或者斷開連接之后都要先關(guān)閉場景才能重新連接；DEL還是刪除鍵；CONNECT是連接和發(fā)送鍵，按下之后這兩個功能依次完成；CLOSE是關(guān)閉連接，每次連接成功后可以先斷開連接再關(guān)閉場景來切斷和網(wǎng)絡(luò)的連接。

圖7 GPRS測試界面

4 結(jié) 語

提出了基于GPS和GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計，介紹了關(guān)鍵電路的設(shè)計以及關(guān)鍵程序的處理，采用模塊化的方法，完成硬件設(shè)計和軟件調(diào)試，設(shè)計出的操作界面簡潔、直觀、實用，實現(xiàn)了打電話、短信、GPS、GPRS測試的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，并將定位信息顯示到界面中。有利于單片機(jī)的教學(xué)與實驗，為數(shù)據(jù)傳輸與分析提供了便捷的方法。

[1] 劉基余，李征航.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，1993.

[2] 王肖楠，張興波，李炳祥. 基于GPRS和基站定位的城市公交監(jiān)控裝置[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013(2):39-41.

[3] 吳紅蘭，黃圣國.嵌入式GPS數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2011(1):54-57.

[4] 吳鳳柱，何 矞，焦 旭，等.GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013(2):67-69，73.

[5] 歐陽明星.基于無線通信網(wǎng)及GPS的雙時鐘源授時設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2013(7):258-262.

[6] 曾振華，王 炎.CORS環(huán)境下天寶5700GPS移動站的改造[J].實驗室研究與探索，2010(10):372-374.

[7] 吳 越，鄭建生，劉 鄭.一種五天線雙頻點GPS接收機(jī)射頻前端設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014(5):45-48.

[8] 馬著銘，張福東，劉 杰，等.GPS多串口上傳系統(tǒng)的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2014(10):112-115.

[9] 勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2012(9):26-28.

[10] 王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2009(8):37-40.

[11] 張河新，王曉輝，黃曉東.基于STM32和CAN總線的智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2012(1):78-80.

[12] 王春波.GPS/GPRS車載終端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].2008.

[13] 陳上明，宋 躍，黃曉鋒，等.基于GPRS的自動灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2012(6):10-13.

[14] 甘 平，徐子航，胡國文，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2013(9):54-56，60.

[15] 姜桂艷，常安德，李 琦，等.基于出租車GPS數(shù)據(jù)的路段平均速度估計模型[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2011(4):638-644.

Research and Design of Data Transmission System Based on GPS and GPRS

LUPeng1，XIELi-rong1，MAOZeng-chuang2，CHANGYi-feng1，HUTing-ting1

(1. College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China;2. Scotsman, Jiangsuchang Science and Technology, Nanjing 211112, China)

In order to solve difficult problems such as difficulty in field data collection and data loss under the condition of coal mine，using the laboratory training platform，a kind of data transmission system based on GPS and GPRS and integrated by GPS and GSM/GPRS network positioning was proposed. It can grantee the uninterrupted data transmission. The hardware design was given, including the main control circuit of STM32F103, peripheral circuit of GPS module NEO-6M， peripheral circuit of GPRS module SIM900A，power supply module circuit，etc. And the software design including application of compiling and debugging was completed which can give and/or receive calls，send and/or receive text messages, GPS display for latitude and longitude, etc. The test results showed that the system ran stably，and held good effect.

GPS； GSM/GPRS； STM32； data transmission

2015-10-10

國家自然科學(xué)基金項目(51264036)

路 朋(1989-)，男，河南周口人，在讀碩士生，研究方向：控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

Tel.：18160604098;E-mail：xjdxlu@163.com

謝麗蓉(1969-)，女，湖南衡陽人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

Tel.：13579823332;E-mail: wzywwwxr@163.com

TN 927；P 228.4

A

1006-7167(2016)04-0111-03