蔡欣言 張曉寒 王良成

（三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572000）

1 引言

隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量的逐步增長(zhǎng)，城市交通壓力越來(lái)越大，路上堵、沒(méi)車位已經(jīng)成為城市交通普遍存在的問(wèn)題。在這種情況下非機(jī)動(dòng)車的數(shù)量急劇增加，因其具有很好的靈活性，受到了更多家庭的青睞[1]。尤其是在接孩子上下學(xué)、日常生活使用都很方便。隨著非機(jī)動(dòng)車數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，在給大家?guī)?lái)方便的同時(shí)，同樣也帶來(lái)了很多新的管理問(wèn)題，不遵守交通規(guī)則、隨意停車、充電安全、盜搶等問(wèn)題。尤其是非機(jī)動(dòng)車的隨意停放，阻塞安全通道、占用公共區(qū)域、影響市容、容易被盜，如何能夠科學(xué)合理的管理非機(jī)動(dòng)車，增加非機(jī)動(dòng)車駕駛員的安全文明意識(shí)，防止車輛被盜已成為需要解決的重大課題。GSM 通信網(wǎng)絡(luò)已成為眾多通信網(wǎng)絡(luò)中性能穩(wěn)定、覆蓋面廣、價(jià)格便宜的通信網(wǎng)絡(luò)，短信息提醒、遠(yuǎn)程定位服務(wù)也非常方便、快捷。該系統(tǒng)就是采用GSM 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)非機(jī)動(dòng)車遠(yuǎn)程定位查詢與自動(dòng)報(bào)警，為車主非機(jī)動(dòng)車盜搶和城市規(guī)范停車管理提供服務(wù)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 需求分析

非機(jī)動(dòng)車定位與報(bào)警系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和實(shí)時(shí)報(bào)警功能，定位要滿足誤差要求，定位精度不大于10米。設(shè)計(jì)一個(gè)GPS 信息采集、解碼和應(yīng)用的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)GPS 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看。系統(tǒng)主要由ST89C52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPS 數(shù)據(jù)的接收和處理并在LCD液晶顯示模塊來(lái)實(shí)時(shí)顯示所需要的數(shù)據(jù)，緯度和經(jīng)度坐標(biāo)也可以通過(guò)通信模塊進(jìn)行短信發(fā)送。當(dāng)停放的車輛因盜搶導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，就可以通過(guò)系統(tǒng)中的SIM卡發(fā)送報(bào)警信息短信到非機(jī)動(dòng)車所有者的手機(jī)上。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于單片機(jī)的GPS 信息系統(tǒng)作為一個(gè)多種技術(shù)融合的實(shí)用產(chǎn)品，在GPS技術(shù)和通信技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)施。該系統(tǒng)從總體上可分為發(fā)送和接收兩大部分，其中接收端為用戶手機(jī)，發(fā)送端為安裝在非機(jī)動(dòng)車上的設(shè)備，主要有四大組成部分：GPS接收模塊部分、GSM模塊部分、數(shù)據(jù)處理模塊部分以及數(shù)據(jù)信息顯示模塊，系統(tǒng)發(fā)送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 發(fā)送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

GPS模塊在捕獲衛(wèi)星信號(hào)后，數(shù)據(jù)將被主控單片機(jī)處理并且通過(guò)顯示模塊顯示[2]。合理地進(jìn)行系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，可以確保在捕獲衛(wèi)星信號(hào)后，正確提取時(shí)間、經(jīng)緯度坐標(biāo)和速度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD數(shù)據(jù)顯示屏，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 模塊選型

3.1.1 控制器

系統(tǒng)選用深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)作為主控制器，這款控制器的MCU具有低功耗、強(qiáng)抗干擾能力和低電磁干擾的性能，并具有ISP 和IAP 功能。89C 系列的最高工作頻率為80MHz，RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為512B 至1280B，閃存為4KB至64KB，其外圍電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

3.1.2 GPS模塊

通常，GPS 模塊都將RF 射頻芯片、基帶芯片、CPU 內(nèi)核以及基本外圍電路集成在一起，形成一個(gè)集成的模塊，用于接收衛(wèi)星信號(hào)[3]。深圳微科通訊設(shè)備有限公司的VK2828U7G5LF 模塊采用了UBX-G7020-KT 作為模塊的主芯片，這使模塊能夠擁有超低功耗和小體積的顯著特征。GPS 模塊通過(guò)串口與STC89C52核心控制器相連，當(dāng)GPS 模塊信號(hào)強(qiáng)度滿足系統(tǒng)工作要求時(shí)，單片機(jī)就能夠收到衛(wèi)星信號(hào)，模塊上的綠色PPS指示燈不斷閃爍。GPS模塊接收到的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)遵守NMEA0183協(xié)議，系統(tǒng)能夠根據(jù)解讀到的協(xié)議信息轉(zhuǎn)換成我們所需要的各類數(shù)據(jù)。VK2828U7G5LF模塊RF射頻屬性如圖3所示。

圖3 VK2828U7G5LFRF射頻屬性圖

3.1.3 GSM通信模塊

GSM 模塊選用緊湊型的SIM900A 模塊，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，該模塊廣泛用于與無(wú)線通信相關(guān)的電子產(chǎn)品[4]。SIM900A 模塊的設(shè)計(jì)非常緊湊，是一種非?？煽康臒o(wú)線通信解決方案。模塊內(nèi)置基帶處理芯片和射頻芯片，這可以大大方便用戶使用，因其可以在沒(méi)有外部電路的情況下直接處理基帶信號(hào)和射頻信號(hào)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們只用到了該模塊的短信發(fā)送功能（SMS 服務(wù)），所以只需要將模塊對(duì)外提供的標(biāo)準(zhǔn)接口與STC89C52的串口相連接，通過(guò)單片機(jī)微控制器對(duì)其發(fā)送控制指令就可以實(shí)現(xiàn)位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送功能。SIM900A擁有豐富的外部接口資源，包括AT命令接口模塊，該模塊支持文本模式和SMS消息傳遞PDU。SIM900A 有三種主要操作模式，即掉電關(guān)閉模式、最小模式和操作功能模式。同時(shí)，該模塊具有完整的UART接口、天線連接器和天線蓋。

3.2 PCB硬件設(shè)計(jì)

基于MCS51單片機(jī)的非機(jī)動(dòng)車定位與報(bào)警系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(jì)和PCB 板規(guī)劃采用功能先進(jìn)的Altium Designer19制圖軟件完成。其硬件系統(tǒng)原理圖如圖4所示，原理圖繪制采用了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的形式，以提高系統(tǒng)可讀性，系統(tǒng)供電電源由供電模塊解決，不再贅述。

圖4 硬件原理圖

Altium Designer19 功能齊全，尤其是在電路電氣規(guī)則檢查、PCB 設(shè)計(jì)合理性檢測(cè)方面有很大優(yōu)勢(shì)，提供了一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用程序解決方案，該解決方案集成了開發(fā)集成電子產(chǎn)品所需的所有技術(shù)和功能。在使用Altium Designer 進(jìn)行系統(tǒng)PCB 板布局時(shí)，盡量減少各部件之間的電磁干擾，增加了元器件和布線之間的距離，根據(jù)PCB設(shè)計(jì)走線準(zhǔn)則進(jìn)行整個(gè)硬件的排布。系統(tǒng)硬件PCB如圖5所示。

圖5 硬件PCB圖

3.3 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)在非機(jī)動(dòng)車上安裝震動(dòng)傳感器，檢測(cè)暴力手段開鎖和挪車行為，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，通過(guò)傳感器檢測(cè)震動(dòng)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)SIM卡發(fā)送信息到車主手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)使用了KeilμVision4，該軟件是專為單片機(jī)程序開發(fā)而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)開發(fā)軟件，它不僅集成了功能強(qiáng)大的程序開發(fā)調(diào)試工具包，還提供了豐富的庫(kù)函數(shù)供程序員修改使用，相對(duì)減輕了一定的設(shè)計(jì)工作量。

主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電后先對(duì)LCD顯示模塊、單片機(jī)串口和GSM模塊進(jìn)行初始化操作，然后對(duì)天線接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部解析，若解析成功，則在LCD上進(jìn)行相關(guān)的信息顯示，再判斷按鍵是否觸發(fā)或是時(shí)間間隔是否達(dá)到1min來(lái)判斷是否發(fā)送短信，若條件達(dá)成，則進(jìn)行相關(guān)信息的短信發(fā)送。主程序如下：

圖6 主程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試的目的是檢驗(yàn)系統(tǒng)是否能夠按照預(yù)定目標(biāo)工作，主要檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)的測(cè)試分為兩部分：軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件系統(tǒng)測(cè)試使用普中科技的PZ-ISP 自動(dòng)下載軟件和SSCOM 串口調(diào)試軟件。普中科技的PZ-ISP 自動(dòng)下載軟件是一款非常簡(jiǎn)單易用的MCU 程序下載助手，支持4800-864000bps 波特率，和STC89Cxx、STC90Cxx、STC11Fxx、STM32F10xx等多種芯片類型。

5.1 GPS接收功能調(diào)試

GPS接收功能的調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)中尤為重要，關(guān)乎整體功能的完整性，為了實(shí)現(xiàn)接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信號(hào)的功能，在連接單片機(jī)之前使用了SSCOM 調(diào)試軟件和USB-TTL 模塊在筆記本上預(yù)先調(diào)試驗(yàn)證了模塊的基本功能。GPS 接收測(cè)試地點(diǎn)在三亞學(xué)院學(xué)生宿舍區(qū)的北寓25號(hào)樓四樓的過(guò)道，軟件調(diào)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 搜星成功圖

當(dāng)串口界面中的$GPRMC 后面有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)時(shí)就代表GPS功能調(diào)試成功，能夠在信號(hào)良好的情況下正常接收當(dāng)前的衛(wèi)星信號(hào)。通過(guò)電腦調(diào)試成功后，將實(shí)際電路中GPS模塊的串行口TXD 接入單片機(jī)的串行口RXD，這樣單片機(jī)就能正常接收和處理GPS模塊發(fā)送的定位數(shù)據(jù)。

5.2 GSM模塊功能調(diào)試

在GSM 模塊測(cè)試中，同樣使用SSCOM 調(diào)試軟件和USB-TTL模塊，GSM模塊的TTL電平接口RXD與USB-TTL模塊TTL端的TXD相連接；GSM模塊的TTL電平接口TXD與USB-TTL 模塊TTL 端的RXD 相連接；連接電腦后，在串口調(diào)試軟件SSCOM上配置好相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)判斷GSM模塊的網(wǎng)絡(luò)指示燈閃爍來(lái)大致判斷模塊的工作狀態(tài)。在調(diào)試過(guò)程中如果供電沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，模塊的網(wǎng)絡(luò)指示燈還是快速閃爍，那么就可能出現(xiàn)SIM卡不兼容的問(wèn)題。

GSM模塊在電腦端的調(diào)試和GPS模塊的調(diào)試流程基本相同，同樣是測(cè)試驗(yàn)證模塊的功能是否正常，不同的是GSM在調(diào)試過(guò)程中可以通過(guò)串口助手來(lái)給模塊發(fā)送指令[5]。筆記本調(diào)試成功后，接入實(shí)際電路進(jìn)行硬件調(diào)試。

5.3 系統(tǒng)整體功能調(diào)試

在硬件調(diào)試中，首先根據(jù)硬件電路檢查電路板線路的正確性，同時(shí)檢查電源和接地走線，防止短路和極性的錯(cuò)誤，從而保證信號(hào)的暢通。在系統(tǒng)初始化完成后，效果如圖8所示。

圖8 硬件系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)在正常工作時(shí)藍(lán)色LED 指示燈亮，代表GPS 可以正常接收到衛(wèi)星定位信號(hào)。按鍵K1 按下，模擬震動(dòng)傳感器檢測(cè)到非機(jī)動(dòng)車受到非法開鎖或者挪動(dòng)，發(fā)出開關(guān)信號(hào)給單片機(jī)，此時(shí)紅色LED指示燈亮，發(fā)送一條位置信息到指定用戶手機(jī)[6]，提醒車主車輛可能存在被盜風(fēng)險(xiǎn)。

用戶手機(jī)接收效果如圖9所示。

圖9 手機(jī)接收位置數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

基于GPS和GSM的非機(jī)動(dòng)車定位與報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非機(jī)動(dòng)車實(shí)時(shí)位置的無(wú)線發(fā)送功能，通過(guò)手機(jī)短信接收實(shí)時(shí)位置。在報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)后通過(guò)短信的方式及時(shí)提醒，系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線，遠(yuǎn)程控制，實(shí)際應(yīng)用廣泛。在后期改進(jìn)中嵌入百度地圖或者高德地圖，可以實(shí)現(xiàn)地圖上實(shí)時(shí)位置的查詢功能，應(yīng)用前景廣闊。