高旭旭 陳富強(qiáng)

基于GPRS+GPS的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高旭旭 陳富強(qiáng)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPS+GPRS的遠(yuǎn)程目標(biāo)定位監(jiān)控系統(tǒng)；定位終端使用單片機(jī)作為核心處理器，將GPS接收模塊得到的地理位置信息通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端，并在服務(wù)器端進(jìn)行處理以達(dá)到遠(yuǎn)程定位的功能。仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)方案可行，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程定位。

當(dāng)今時(shí)代，高精度的定位系統(tǒng)迅速發(fā)展，其中發(fā)展比較成熟的定位系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、歐洲的伽利略以及中國正在建設(shè)的北斗。這些定位系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。其中美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）有著較高精確度。這里我們介紹一種基于GPS+GPRS的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在實(shí)現(xiàn)定位的同時(shí)，還能通過GPRS將地理位置信息發(fā)送到終端，從而用戶就能夠隨時(shí)獲得系統(tǒng)所處的地理位置，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于地理位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能正常運(yùn)行。

遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)

該定位系統(tǒng)主要由終端定位系統(tǒng)，服務(wù)器、GPRS網(wǎng)絡(luò)以及空中的衛(wèi)星組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。終端定位系統(tǒng)包括SIM300的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、LEA-5H定位模塊以及STC12C5A60S2中央處理器模塊。簡(jiǎn)單工作流程如下：當(dāng)SIM300接收到來自用戶的短信時(shí)，會(huì)給處理器反饋代表接受到新消息的信息，處理器會(huì)提取短信內(nèi)容。若為查詢地理位置的信息的指令時(shí)，處理器會(huì)從GPS獲取地理位置信息，并將該信息以短信或GPRS網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送到用戶，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位的功能。

圖1 黑匣子遠(yuǎn)程系統(tǒng)的示意圖

遠(yuǎn)端服務(wù)器主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和定位終端的SIM300建立連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的功能，當(dāng)接收到來自定位終端的信息時(shí)，服務(wù)器會(huì)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，通過相關(guān)經(jīng)緯度確定相應(yīng)的地理位置。

定位終端

終端定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。所示，其中主要包括中央處理器模塊，GPS定位模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊。

圖2 定位單元系統(tǒng)框圖

微處理器

本系統(tǒng)的中央處理器采用的是STC12C5A60S2，該系列單片機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng)、高速可靠、低功耗的特點(diǎn)。掉電模式下，可以外部中斷超低功耗喚醒，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入休眠模式時(shí)，工作電流很小，功耗很低。該單片機(jī)還具有兩個(gè)串口，可以分別和GPS模塊、GPRS模塊進(jìn)行通信，進(jìn)而協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，處理來自SIM300的信息，以及從GPS獲取位置信息，串口連接示意圖如圖3所示。

圖3 外部串行接口連接圖

GPS模塊

定位模塊采用的是LEA-5H模塊，該模塊可同時(shí)支持GPS和伽利略兩種定位系統(tǒng)，屬于第五代GPS定位模塊，通道數(shù)增加到50個(gè)，和單片機(jī)之間通過串口進(jìn)行連接，GPS模塊接口電路如圖4所示。

圖4 GPS模塊接口電路連接圖

GPRS模塊

SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi)的GSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三種頻率下工作，能夠提供GPRS的信道類型多達(dá)10個(gè)，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案。在啟動(dòng)方式上，設(shè)計(jì)了自啟動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)兩種方式，可以通過跳線帽來進(jìn)行切換。

SIM300可以直接通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，其內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，以及擴(kuò)展了相應(yīng)的AT指令集，極大方便了用戶的使用。這里使用的 GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，下行數(shù)據(jù)傳輸速率85.6kbps，上行數(shù)據(jù)傳輸速率42.8kbps，對(duì)于傳輸較為簡(jiǎn)單的地理位置信息，已經(jīng)能夠滿足

要求。該模塊的外圍電路圖如圖5所示。

圖5 SIM300的外圍電路圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微處理器的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電時(shí)，處理器會(huì)初始化GSM模塊和GPS模塊，通過檢測(cè)模塊反饋回來的信息來判斷是否初始化成功。初始化完成后，單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，并通過看門狗定時(shí)器設(shè)置一個(gè)定時(shí)時(shí)間，定時(shí)時(shí)間一到，處理器會(huì)被從低功耗的模式下喚醒，檢測(cè)此時(shí)是否有控制指令到達(dá)，若沒有就繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并自動(dòng)重裝定時(shí)器的裝載值，若有就進(jìn)行相應(yīng)處理分析，一直重復(fù)進(jìn)行。單片機(jī)流程圖如圖6所示。

圖6 單片機(jī)流程圖

GPS模塊的軟件設(shè)計(jì)

GPS上電后，會(huì)定時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x每行開頭的字符都是‘$’，然后是信息類型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號(hào)分隔。信息類型可分為六種，GPGSV：可見衛(wèi)星信息GPGLL：地理定位信息GPRMC：推薦最小定位信息GPVTG：地面速度信息GPGGA：GPS定位信息GPGSA：當(dāng)前衛(wèi)星信息。

這里選用的是“$GPRMC”格式，完整的數(shù)據(jù)格式如下所示：$GPRMC，080655.00，A，4546.40891，N，12639.65641，E，1.045，328.42，170809…A*60，第一部分表示UTC時(shí)間，是格林尼治時(shí)間，格式是時(shí)分秒，需把它轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間；第二部分表示定位狀態(tài)，A為有效定位，V為無效定位；然后是經(jīng)緯度，N表示北緯， E表示東經(jīng)，需要按相應(yīng)的格式將具體的度分秒提取出來；接著是地面速率（000.0～999.9節(jié)）和地面航向（000.0～359.9），其中速率單位是海里/時(shí)，航向是偏離正北的角度；緊接著是UTC日期，格式為日月年，可直接提取。

GPS模塊通過串口和單片機(jī)連接，并按照GPRMC信息類型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS模塊的軟件設(shè)計(jì)

這里主要利用SIM300的GPRS功能來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)通過串口發(fā)送AT指令來對(duì)GPRS進(jìn)行初始化配置，同時(shí)SIM300會(huì)反饋相應(yīng)的應(yīng)答信息，通過判斷這些信息來做出相應(yīng)的處理。并通過TCP連接方式連上目的IP，進(jìn)而和服務(wù)器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了定位終端與服務(wù)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能。這里涉及的AT指令如表1所示。

表1 GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁T指令

GPRS模塊數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖（如圖8所示）。

圖8 GPRS模塊數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

由于GPRS只能連接到公網(wǎng)，因此需要一個(gè)公網(wǎng)IP地址，這里我們通過在花生殼注冊(cè)賬戶來獲取一個(gè)免費(fèi)的公網(wǎng)IP，然后設(shè)置路由器，將申請(qǐng)的域名和路由器的動(dòng)態(tài)DNS進(jìn)行綁定，從而就能通過域名找到路由器的IP地址，然后再通過設(shè)置路由器虛擬服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)功能，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的上位機(jī)。該系統(tǒng)中使用TCP/IP協(xié)議，在客戶機(jī)/服務(wù)器模型下采用Socket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。將上位機(jī)作為服務(wù)器端，定位終端作為客戶端，這就形成了典型的C/S結(jié)構(gòu)，即Client/Server結(jié)構(gòu)，最終信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理。監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 監(jiān)控中心端的軟件設(shè)計(jì)流程圖

結(jié)束語

本系統(tǒng)基于GPRS+GPS并采用了相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了能夠獲取準(zhǔn)確位置信息的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位的功能，具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

高旭旭 陳富強(qiáng)

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

高旭旭，女，在讀本科生。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.022

北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：15006）