朱克武，林金妹，袁小放

（廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣州 510520）

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，同樣能夠在全球范圍內(nèi)全天候為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具有短報文通信能力。GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了應(yīng)用在軍事方面以外，還廣泛應(yīng)用于民用方面，如個人位置服務(wù)、氣象應(yīng)用、道路交通管理、鐵路智能交通、海運(yùn)和水運(yùn)、航空運(yùn)輸?shù)确矫?，帶來了巨大的社會和?jīng)濟(jì)效益。

MC20模塊集成了GSM和GNSS（GPS+北斗）雙系統(tǒng)，在該模塊上進(jìn)行AT指令的實驗教學(xué)，學(xué)生能夠加深對AT指令的理解，體驗GPS和北斗信息的采集過程，熟練掌握GPS和北斗信息采集和信息分析的方法，為GPS和北斗技術(shù)的廣泛應(yīng)用和技術(shù)普及打下良好的基礎(chǔ)。

1 MC20模塊硬件組成

MC20模塊支持GSM和GNSS（GPS+北斗）雙系統(tǒng)定位，在網(wǎng)絡(luò)交互的同時，可使用的衛(wèi)星數(shù)量更多，搜星的時間更短，加快GNSS系統(tǒng)的定位速度，提高定位精確。

圖1 MC20模塊硬件組成

MC20模塊如圖1所示，主要包括：電源、STM32微處理器、串口、SIM卡、MC20核心芯片、有源天線或無源天線幾個部分組成。

外接電源，電源（5V-12V），通過模塊內(nèi)部的穩(wěn)壓電路將外接電源降為5V，供模塊使用。上位機(jī)通過串口對模塊進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，主要是使用AT指令，完成GNSS數(shù)據(jù)的接收。SIM卡是一個裝有微處理器的芯片卡，用來連接中國移動或中國電信的無線網(wǎng)絡(luò)，如果沒有插入SIM卡，MC20模塊是連不上移動或電信的無線網(wǎng)絡(luò)的，MC20不能通過無線網(wǎng)絡(luò)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的，無法正常工作，因此，必須插入SIM卡，這樣才能夠?qū)C20采集的衛(wèi)星信號通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到指定的數(shù)據(jù)服務(wù)器。有源天線內(nèi)部集成了接收天線模塊、低噪聲放大模塊、電源供給模塊，有源天線必須放在戶外或窗戶上，接收GPS或北斗的衛(wèi)星信號，放在室內(nèi)是不能接收GPS或北斗信號的。無源天線只包含接收天線模塊，優(yōu)點(diǎn)是不需要外加電源將可以工作，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，技術(shù)成熟，占空體積小，適合于緊湊型空間的GPS導(dǎo)航產(chǎn)品、藍(lán)牙GPS、手機(jī)GPS等產(chǎn)品。如果設(shè)備與GPS接收模塊之間有一定的距離，如距離超過1米，這種情況下，只能選擇有源GPS天線。本模塊集成了有源天線和無源天線，便于用戶選擇其中的一個使用。單片機(jī)STM32微處理器是MC20模塊的核心控件之一，通過串口與上位機(jī)通訊，通過串口與MC20模塊進(jìn)行通訊，接收GPS或北斗信號。MC20芯片是整個模塊的核心組件之一，采用聯(lián)發(fā)科最新推出的多功能通信定位芯片研制而成，內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP、UDP、FTP、HTTP 等），還集成了多星座衛(wèi)星系統(tǒng)（如GPS、北斗等），支持語言、短信、通話等功能，支持藍(lán)牙功能，能夠提供無線移動通信以及精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位功能。

2 MC20模塊的串口設(shè)計

本系統(tǒng)主要是通過串口來串聯(lián)上位機(jī)和下位機(jī)的。上位機(jī)和下位機(jī)使用串口連接，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送AT指令，對MC20進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置和控制，下位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，供上位機(jī)使用。下位機(jī)的STM32 F103E微處理器使用一個串口和MC20的主串口相連，用于AT指令的發(fā)送、GPRS數(shù)據(jù)的傳輸、GNSS數(shù)據(jù)的傳輸。還可以使用MC20的輔助串口與微處理器相連，用于發(fā)送GNSS數(shù)據(jù)。

2.1 串口

單片機(jī)STM32 F103E微處理器內(nèi)部有5路串口，在本系統(tǒng)的通信過程中，至少需要使用兩個串口，第三個串口可以使用，也可以不使用。第一個串口連接上位機(jī)，上位機(jī)通過串口，發(fā)送AT指令到STM32 F103E，上位機(jī)接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)，用戶能夠及時判斷MC20模塊當(dāng)前的狀態(tài)；第二路串口連接MC20的串口，這個串口是MC20的主串口，用于AT命令傳送、GPRS數(shù)據(jù)

2.2 串口助手和AATT指令

本系統(tǒng)使用串口進(jìn)行通訊，因此，上位機(jī)必須要有一個串口模塊，負(fù)責(zé)串口通訊。串口通信有很多成熟的軟件，如SSCOM、XCOM等串口助手軟件。

SSCOM 3.3串口助手如圖2所示，左上角的區(qū)域為接收數(shù)據(jù)區(qū)，用來顯示串口接收的數(shù)據(jù)。右上角為“多條字符串定義”選項卡區(qū)域，由多個獨(dú)立的文本框組成，一個文本框存放一個字符串，文本框的后面的“數(shù)字”是按鈕，單擊“數(shù)字”，將文本框里面的字符串以字符的形式發(fā)送出去，文本框的前面是一個復(fù)選框，選中復(fù)選框，則文本框里面的數(shù)據(jù)以16進(jìn)制的形式發(fā)送。“隱藏”按鈕是打開和關(guān)閉“多條字符串定義”選項卡窗口的。COM1是串口號，用戶根據(jù)實際連接的串口進(jìn)行選擇。串口連接以后，一定要打開串口，才可以使用，否則，串口是不能使用的。串口一定要設(shè)置參數(shù)，默認(rèn)數(shù)據(jù)位是8位，停止位是1位，無奇偶校驗位，串口參數(shù)的設(shè)置主要是波特率的設(shè)置，本模塊使用的波特率是115200。單擊“發(fā)送”按鈕，將下面的細(xì)長條文本框中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。最下面是串口發(fā)送、接收、串口是否打開等狀態(tài)信息。

將AT指令事先在“多條字符串定義”選項卡中填好，發(fā)送的時候，只需要單擊“數(shù)字”按鈕，就完成文本框中數(shù)據(jù)的發(fā)送，下次打開串口助手的時候，文本框中的數(shù)據(jù)會被保存，不用一條一條輸入，方便用戶使用。

AT指令的使用，MC20接收AT指令后，會對指令進(jìn)行響應(yīng)的處理，并返回處理的結(jié)果，如果返回“OK”，則表明沒有錯誤。傳輸，具有自適應(yīng)波特率，多路復(fù)用等功能，通過主串口將AT指令傳送到MC20，由MC20進(jìn)行解析，MC20采集的GNSS數(shù)據(jù)通過主串口傳輸?shù)絊TM32 F103E。主串口還可以將TCP命令、UDP命令等網(wǎng)絡(luò)命令傳送給MC20模塊，MC20模塊通過移動網(wǎng)絡(luò)或聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，通過主串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，既能夠接收遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，這樣，MC20模塊就具有和無線網(wǎng)絡(luò)通信的功能。第三路串口，這個串口可以使用，也可以不使用，MC20模塊有一個輔助串口，用于傳輸MC20采集的GPS和北斗信號的，主串口也是可以傳輸GPS和北斗信號的，將這個輔助串口和STM32 F103E的串口相連，可以實時傳輸GPS和北斗信號。

圖2 SSCOM 3.3串口助手

第一條指令必須是“AT”，如果返回“OK”，表明串口通訊正常，否則，需要檢查串口的設(shè)置，直到返回“OK”?！癆T+QGNSSC=1”指令，開啟 GNSS 功能，PPS 指示燈點(diǎn)亮，開始定位工作。該命令只需要輸入一次，打開GNSS模塊電源，不需要反復(fù)輸入，否則，會反復(fù)給GNSS模塊供電，影響模塊的使用?！癆T+CSQ”指令查詢當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度?！癆T+CPIN?”指令查詢是否有SIM卡，如果沒有SIM卡，則不能使用移動或聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)?！癆T+CREG?”指令查詢是否注冊GSM網(wǎng)絡(luò)，“AT+CGREG?”指令查詢是否注冊GPRS網(wǎng)絡(luò)，返回字符串中，有1，表明SIM卡是本地卡，有5，表明SIM卡是漫游卡?！癆T+QICSGP=1,“CMNET””指令表明SIM卡使用的是移動網(wǎng)絡(luò)?！癆T+QGNSSRD”指令是獲取GPS和北斗衛(wèi)星信息的指令。如果前面的AT指令沒有返回錯誤，執(zhí)行本條指令，就會采集到GPS和北斗信號。需要使用循環(huán)語句不斷發(fā)送這條AT指令，開始的一段時間，采集的GPS和北斗信號數(shù)據(jù)都是0，因為，天線還沒有接收到衛(wèi)星信號，當(dāng)衛(wèi)星定位成功后，就能夠采集到數(shù)據(jù)，這個過程可能要幾十秒到幾分鐘，跟所處的環(huán)境、天線有關(guān)。

3 GNSS數(shù)據(jù)的分析

通過“AT+QGNSSRD”指令，獲取GPS和北斗衛(wèi)星信息，包括：GNGGA（GPS定位信息）、GNRMC（推薦定位信息）、GPGSA（當(dāng)前衛(wèi)星信息）、GPGSV（可見GPS衛(wèi)星信息）、BDGSV（可見北斗衛(wèi)星信息）、GNGLL（定位地理信息）、GPVTG（地面速度信息）。

GPS和北斗的數(shù)據(jù)主要是經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向等。因此，主要分析GNGGA（GPS/北斗定位信息）、GNRMC（推薦定位信息）這兩條數(shù)據(jù)。

3.1 GNGGA 數(shù)據(jù)分析

GNGGA是GPS定位信息。數(shù)據(jù)格式為：$GNG?GA,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,（10）,（11）,（12）*hh。其中：$是接收數(shù)據(jù)的開始標(biāo)記。GNGGA是GPS定位信息，各個數(shù)據(jù)之間使用逗號分割。后面的數(shù)據(jù)分別是：UTC時間、緯度、緯度半球（N為北緯，S為南緯）、經(jīng)度、經(jīng)度半球（E為東經(jīng)，W為西經(jīng)）、定位質(zhì)量指示、使用衛(wèi)星數(shù)量、水平精確度、天線離海平面的高度（海拔高度）、大地水準(zhǔn)面高度、差分時間、差分參考基站標(biāo)號。*是接收數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)記。hh是校驗碼。

通過分割逗號，取出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。從GNGGA數(shù)據(jù)類型中，需要取出UTC時間、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球、海拔高度。

3.2 GNRMC數(shù)據(jù)分析

GNRMC是推薦定位信息。數(shù)據(jù)格式：$GNRMC,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,（10）,（11）,（12）*hh。其中：$是接收數(shù)據(jù)的開始標(biāo)記。GNRMC是推薦定位信息，各個數(shù)據(jù)之間使用逗號分割。后面的數(shù)據(jù)分別是：UTC時間、定位狀態(tài)（A為有效，V為無效定位）、緯度、緯度半球（N為北緯，S為南緯）、經(jīng)度、經(jīng)度半球（E為東經(jīng)，W為西經(jīng)）、地面速度、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向、模式指示。*是接收數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)記。hh是校驗碼。

通過分割逗號，取出對應(yīng)的數(shù)據(jù)。從GNRMC數(shù)據(jù)類型中，需要取出UTC時間、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球、地面速度、UCT日期。

通過對GPS定位信息和推薦定位信息的分析，可以得到當(dāng)前位置所在的緯度、經(jīng)度、高度、速度、地面航向、日期、時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到地圖服務(wù)器上，就可以在地圖上看見MC20模塊所在的位置，方向、速度等信息。

4 結(jié)語

隨著GPS、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的廣泛使用和普及，培養(yǎng)學(xué)生掌握和運(yùn)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，顯得非常重要。通過對小車GPS定位系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠自己動手連接MC20模塊，掌握串口在GPS定位系統(tǒng)中的作用，通過串口助手的使用，讓學(xué)生熟練掌握AT指令，并能夠理解每一條AT指令的含義，根據(jù)AT指令的返回信息，判斷MC20模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)。通過對GPS和北斗數(shù)據(jù)的分析，加深對GPS和北斗數(shù)據(jù)的理解，通過程序設(shè)計，在一堆數(shù)據(jù)中，取出自己需要的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)應(yīng)用到地圖服務(wù)器上，鍛煉了學(xué)生的編程能力。通過GPS定位系統(tǒng)的實踐教學(xué)，讓學(xué)生能夠掌握GPS的使用，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，為社會培養(yǎng)大批GPS和北斗應(yīng)用人才，推動了GPS和北斗衛(wèi)星信息在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。