史旭濤， 宮銘舉,，曹麗娜

　?。ㄌ旖蚶砉ご髮W(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300384）

      摘要：針對(duì)當(dāng)代社會(huì)空巢老人的增多,，突發(fā)意外時(shí)不能及時(shí)呼救的問(wèn)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(wú)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(jiǎn)述了硬件與軟件的實(shí)施方案及定位信息采集原理，通過(guò)多方面對(duì)比北斗與GPS定位模塊的速度與檢測(cè)衛(wèi)星數(shù)來(lái)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),。

　　關(guān)鍵詞：北斗定位系統(tǒng),；信息采集；GSM通信,；單片機(jī)

　　隨著社會(huì)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(wú)法采取正確措施，家人因不知道事發(fā)地點(diǎn)無(wú)法及時(shí)營(yíng)救,，這已成為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題,，人們對(duì)老人呼救報(bào)警器的需求越來(lái)越高。現(xiàn)階段報(bào)警器多為GSM呼救器［1］,，對(duì)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(guó)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(wú)定位盲區(qū)、高度可靠與穩(wěn)定等優(yōu)越性,，對(duì)我國(guó)在經(jīng)濟(jì),、國(guó)防建設(shè)、綜合國(guó)力的提高起到了促進(jìn)與推動(dòng)作用,，北斗定位系統(tǒng)將成為中國(guó)導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的趨勢(shì)［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(wú)線通信模塊為一體的多功能報(bào)警器。當(dāng)老人或弱勢(shì)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(guò)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(guò)GSM無(wú)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(yíng)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(wú)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(guò)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(wú)線通信模塊SIM900A發(fā)送到預(yù)定手機(jī)號(hào)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,?！　?/p>

2北斗定位信息格式與提取

　　北斗UN220Ⅲ模塊上電后，會(huì)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(hào)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(yǔ)句結(jié)束標(biāo)識(shí)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(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與解析是通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)設(shè)程序完成的,，首先通過(guò)識(shí)別幀數(shù)據(jù)的啟示字符ASCII碼“$”來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀信息提取,，再通過(guò)信息類型的判斷來(lái)選擇接收，識(shí)別正確后,，再通過(guò)檢索“,，”來(lái)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(duì)其進(jìn)行解析,；串口2將解析完畢的坐標(biāo)通過(guò)GSM無(wú)線通信模塊發(fā)送到預(yù)定手機(jī)號(hào)碼中,。通過(guò)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?！?/p>

　　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(hào),，涵蓋北斗等4大導(dǎo)航系統(tǒng)的12個(gè)頻點(diǎn),，可對(duì)抗數(shù)十個(gè)單音干擾，支持毫米測(cè)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(dòng)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(guò)外部天線對(duì)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。

　　3.2GMS無(wú)線通信模塊

　　GSM無(wú)線通信模塊SIM900A硬件原理框圖如圖3所示,。

　　GSM模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊［7］,其內(nèi)部設(shè)有存儲(chǔ)器,、基帶信號(hào)、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(hào)的網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)）、串口UART（通過(guò)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(hào)指示燈（LCD）和SIM卡槽組成,，通過(guò)AT指令集進(jìn)行短信的收發(fā)及語(yǔ)音通話等。

　　通過(guò)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(wú)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(duì)定位信息提取與解析,、定位信息通過(guò)GSM發(fā)送并通過(guò)液晶顯示模塊顯示,。上電后，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化,，通過(guò)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(guò)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(guò)識(shí)別起始符“$”對(duì)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(yǔ)言,，語(yǔ)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,。

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

　　在對(duì)北斗定位系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)接收定位數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)時(shí)間的定時(shí)采用秒表計(jì)算,對(duì)衛(wèi)星數(shù)的測(cè)量采用ucenter軟件進(jìn)行檢測(cè),。

　　5.1不同時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)研究

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

　　分析：測(cè)試結(jié)果顯示，在無(wú)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(lái)說(shuō),，北斗UN220ⅢN要比UBLOXGPS定位時(shí)間快，檢測(cè)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(duì)于不同天氣情況的UM220ⅢN模塊與UBLOXGPS模塊的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究中，晴天的相對(duì)濕度為26%,，小雨天的相對(duì)濕度為55%,，陰天的相對(duì)濕度為43%，大風(fēng)天的相對(duì)濕度為32%,。結(jié)果如表2所示,。

　　分析：測(cè)試結(jié)果顯示，不同的天氣情況對(duì)于信號(hào)與衛(wèi)星的接收有較小的影響,，對(duì)于UM220ⅢN來(lái)說(shuō),，定位時(shí)間與檢測(cè)衛(wèi)星數(shù)有微小的變化，但對(duì)于UBLOXGPS來(lái)說(shuō),，雨天對(duì)于定位時(shí)間有較大的影響,，定位時(shí)間明顯加長(zhǎng)?？傮w對(duì)比來(lái)說(shuō),，針對(duì)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(duì)于不同位置的UM220ⅢN模塊與UBLOXGPS模塊的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究中,，對(duì)不同位置的實(shí)驗(yàn)所選時(shí)間一致，天氣情況（或相對(duì)濕度28%）基本相同,。結(jié)果如表3所示,。

　　分析：根據(jù)測(cè)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(duì)于信號(hào)接收速度與衛(wèi)星檢測(cè)數(shù)量上有較大影響，在室外空曠地帶定位速度快,，檢測(cè)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(cè)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(huì)對(duì)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(lái)說(shuō),，北斗的UM220ⅢN對(duì)比與UBLOXGPS定位速度很快，檢測(cè)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(guò)GSM無(wú)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(duì)其硬件與軟件進(jìn)行了深入討論。該報(bào)警器簡(jiǎn)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(guó)自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)的UM220ⅢN為核心,，通過(guò)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(duì)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,。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 吳青,，仵博.基于TC35i的GSM報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息,，2009，25（2）：306307.