張洪厲，謝文娣

（安徽新華學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

隨著無人汽車，無人機(jī)等新興科技產(chǎn)品的出現(xiàn)，未來將會(huì)被大規(guī)模的生產(chǎn)及使用，對(duì)于規(guī)?；療o人智能產(chǎn)品的監(jiān)管及其位置信息等大數(shù)據(jù)的采集與分析顯得尤為重要。如處于沙漠和大海航行時(shí)，地理坐標(biāo)無法通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位，需要依靠衛(wèi)星定位，實(shí)時(shí)獲取和更新數(shù)據(jù)，因此研究基于衛(wèi)星定位技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等問題將具有很好的現(xiàn)實(shí)意義；同時(shí)對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體，顯示的數(shù)據(jù)刷新率需要達(dá)到10Hz，為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)一款可為使用者提供良好無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)載體實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)的綜合性能，本文采用基于GPS、GLONASS 和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)三合一進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)利用云端服務(wù)器和手機(jī)采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了太陽能穩(wěn)壓電源供電，不僅提高續(xù)航能力，而且低碳環(huán)保；并通過藍(lán)牙模塊與終端手機(jī)Laptimer APP 連接，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的可視化管理；采用衛(wèi)星定位模塊，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的位置信息，即當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、海拔高度和精度，并且坐標(biāo)誤差不能超過十米，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前的采樣時(shí)間，做到實(shí)時(shí)定位，永不迷失?？赏ㄟ^APP 程序調(diào)用手機(jī)攝像頭，將時(shí)間、位置、速度等用戶感興趣的數(shù)據(jù)標(biāo)注在視頻中，完成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)記錄。衛(wèi)星定位模塊最多可以支持12 顆衛(wèi)星進(jìn)行定位，監(jiān)測到的地理信息更精確。可連接到Android 和IOS 兩種系統(tǒng)，并顯示所收集到的數(shù)據(jù)。衛(wèi)星定位模塊能隨時(shí)監(jiān)測移動(dòng)目標(biāo)位置信息，并將信息通過GPRS 模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和記錄。設(shè)計(jì)方框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位模塊、藍(lán)牙模塊、GPRS 通信模塊以及電源穩(wěn)壓模塊組成。衛(wèi)星定位模塊采用ZOEM8Q 芯片，支持GPS 和北斗雙模輸出，利用衛(wèi)星定位當(dāng)前位置和確定當(dāng)前時(shí)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳輸則依賴于以CC2541 為核心的藍(lán)牙模塊CC2541EMV2.6，該模塊穩(wěn)定性好且傳輸距離遠(yuǎn)，它可將無人車定位等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)APP 上顯示。GPRS 通信模塊采用SIM900A 模塊，可實(shí)時(shí)上傳經(jīng)緯度、海拔高、速度、日期、時(shí)間信息至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。電源模塊采用3.7V 的鋰電池，并輔以太陽能穩(wěn)壓充電，達(dá)到低碳環(huán)保的目的。

■2.1 藍(lán)牙CC2541 和GPRS 通信模塊設(shè)計(jì)

GPRS 通信芯片采用SMT 封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高的SIMCom 公司新型雙頻GSM/GPRS 模塊的緊湊型產(chǎn)品—SIM900A，并且它完全可以滿足用戶的各種需求。當(dāng)模塊掉線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)嘗試斷線自動(dòng)重連的功能該模塊采用3.3V 供電，使用32.768K 晶振，通過PCB天線，連接到手機(jī)，有效傳輸距離10 米，并且預(yù)留SMA天線接口，增加有效信號(hào)傳輸距離，通過USB 接口可方便進(jìn)行程序下載和調(diào)試。VCC_MCU 為3.3V 供電，VCC 4 采用5V 供電，綠色標(biāo)注的的四根引腳SIMVCC、SIMDATE、SIMCLK 和SIMRST 接入普通SIM 卡的芯片上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)ID 身份功能；TTL 匹配電路可有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串口傳輸功能，可接入CC2541 的TXD 和RXD 上用于芯片之間的有線通信；D5 LED 為電話和短信的信號(hào)指示燈，D6 LED 為電源指示燈，外接天線位于RF 引腳上。SIM900A 電路如圖2 所示。CC2541 將增強(qiáng)型8051 微處理器、系統(tǒng)內(nèi)可編程的閃存存儲(chǔ)器、先進(jìn)的RF 收發(fā)器、8-KB 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、其它功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起，是一款真正片載系統(tǒng)(SoC)解決方案，主要針對(duì)低能耗以及私有2.4-GHz 應(yīng)用的功率優(yōu)化，非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。

圖2 SIM900A 電路圖

■2.2 衛(wèi)星定位模塊設(shè)計(jì)

衛(wèi)星定位芯片選用u-blox UBX-ZOE-M8Q，它可并發(fā)接收GPS/QZSS、GLONASS、北斗，可提供先進(jìn)算法和完整的GNSS 解決方案；它還為可選的外部閃存提供SQI 接口，以用來允許未來固件升級(jí)或者提高A-GNSS 的性能，能夠支持消息完整性保護(hù)、抗干擾和防欺騙，在困難的環(huán)境條件和安全攻擊場景中提供可靠的定位，從而滿足多用途工業(yè)和消費(fèi)者應(yīng)用中最嚴(yán)格的要求，如無人機(jī)、車輛和資產(chǎn)跟蹤。衛(wèi)星定位模塊電路圖如圖3 所示。其主要電池供電為3.3V，備用電池在1.4V～3.6V 之間供電，J8 和J7 引腳外接晶振32.768 kHz，A4 引腳可外接陶瓷天線，J5 和J4 為串口引腳可與CC2541 連接進(jìn)行芯片之間的數(shù)據(jù)通信。U-blox ZOE-M8Q 的硬件引腳名稱定義如圖4 所示，橙色為外接天線引腳，深藍(lán)色接GND 粉紅色是電源引腳，黃色為通信接口，深綠色外接晶振，青色是數(shù)字型I/O口，綠色為SQI 口，白色為預(yù)留口必須保持打開狀態(tài)。

圖3 ZOE—M8Q 電路圖

圖4 ZOE—M8Q 引腳分配

■2.3 穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

太陽能穩(wěn)壓采用MAX856 芯片，可輸入0.8V 至12V 電壓，選擇輸出3.3V（125mA）或者5V（100mA），還可對(duì)電池電量進(jìn)行低電量檢測保護(hù)。電池充電穩(wěn)壓電路采用TOP4056芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入5V 電壓，配備紅色充電指示燈和綠色充滿電指示燈，Bat+接電池正極，Bat-接電池負(fù)極，具體電路如圖5 和6 所示。

圖5 太陽能穩(wěn)壓電路輸出圖

圖6 鋰電池充電電路穩(wěn)壓圖

太陽能穩(wěn)壓模塊指示燈，當(dāng)接收到來自太陽能電池板轉(zhuǎn)化過來的能量后，該紅色指示燈常亮；衛(wèi)星定位模塊電源指示燈藍(lán)色常亮，未定位情況下紅色指示燈100ms 閃爍一次，搜索到衛(wèi)星成功定位情況下紅色指示燈5s 閃爍一次；鋰電池充電模塊指示燈未充滿電紅燈常亮，充滿電時(shí)綠燈常亮；GPRS 模塊紅色一號(hào)電池指示燈常亮，無信號(hào)時(shí)紅色二號(hào)指示燈常亮，有信號(hào)時(shí)1s 閃爍一次。藍(lán)牙彩色指示燈未連接時(shí)常亮變色，連接時(shí)藍(lán)色閃爍每秒一次。太陽能板模塊使用單晶硅材質(zhì)制作，工作電壓為6V，額定功率為6W，尺寸小巧，質(zhì)量輕薄，方便攜帶，外觀如圖7 所示。

圖7 太陽能電池板

3 軟件總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試

衛(wèi)星定位模塊將采集到的數(shù)據(jù)包括經(jīng)緯度、高程、時(shí)間、精度等傳送給CC2541，CC2541 將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后并壓縮，通過藍(lán)牙協(xié)議傳送給用戶手機(jī)上的APP Laptimer，利用Lua 語言自主編寫APP 腳本將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓和存儲(chǔ)，并提供給顯示界面，顯示用戶可讀的數(shù)據(jù)；并通過串口將數(shù)據(jù)傳送給SIM900A 芯片上，其使用GPRA 技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送至云服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測，具體流程如圖8 所示。

圖8 軟件總體框圖

云端服務(wù)器開機(jī)后運(yùn)行Windows Server 2012RC 操作系統(tǒng)，使用之前配置好的固定的公網(wǎng)IP 地址，設(shè)置好入站出站的規(guī)則，如選擇服務(wù)器端口“3388”進(jìn)行開放測試；運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測程序，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議類型為TCP 服務(wù)，監(jiān)測本地計(jì)算機(jī)端口“3388”是否有數(shù)據(jù)客戶端請(qǐng)求接入，沒有就等待接入請(qǐng)求，有接入請(qǐng)求后記錄顯示客戶端的IP地址和網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，判斷端口如果有數(shù)據(jù)過來就顯示終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)保存日期時(shí)間。

下位機(jī)程序流程下位機(jī)供電后，各模塊開始初始化，CC2541 工作后首先開始設(shè)置自己的藍(lán)牙名稱為：WHL，服務(wù)UUID:FFF9 和特征UUID：FFF6；判斷自己是否通過藍(lán)牙連接到手機(jī)APP，連接后指示燈1s 閃爍一次；衛(wèi)星定位模塊與GPRS 模塊判斷是否接受衛(wèi)星信號(hào)成功和是否能連接到基站網(wǎng)絡(luò)，分別顯示不同狀態(tài)的指示燈；衛(wèi)星定位成功后將RMC 數(shù)據(jù)包和GGA 數(shù)據(jù)包發(fā)給CC2541，其處理壓縮后通過藍(lán)牙發(fā)給手機(jī)APP，再通過串口控制SIM900A 模塊將衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)由ALIENTEK STM32F4 探索者首先進(jìn)行采集開發(fā)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯度、海拔高度、速度、定位衛(wèi)星的數(shù)據(jù)、方向角、精度的實(shí)時(shí)顯示，并將UNIX 時(shí)間戳轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值，方便用戶觀看。SIM900A 模塊，通過插入手機(jī)流量卡，接入附近基站網(wǎng)絡(luò)；通過GPRS 技術(shù)，由基站向遠(yuǎn)程服務(wù)器建立TCP/IP 連接，將海量數(shù)據(jù)上傳至云端。系統(tǒng)選用騰訊云端服務(wù)器WINDOWS SERVER 2012RC 操作系統(tǒng)，使用校內(nèi)電腦，經(jīng)TCP/IP 連接至云端服務(wù)器，并向云端發(fā)送數(shù)據(jù)，云端接檢測到有IP 連接請(qǐng)求時(shí)響應(yīng)相應(yīng)程序，檢測對(duì)方IP 地址及端口數(shù)據(jù)變化，記錄時(shí)間值，顯示接收到的數(shù)據(jù)；從云端服務(wù)器向?qū)W校電腦端口發(fā)送數(shù)據(jù)，以達(dá)到對(duì)下位機(jī)命令控制請(qǐng)求。利用C/S 架構(gòu)或者B/S 架構(gòu)，調(diào)試中接入實(shí)時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，調(diào)用Google 地圖、百度地圖、高德地圖等的API，可以輕松獲得衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)在WEB 等界面顯示，也可在APP 或服務(wù)器地圖中顯示監(jiān)控系統(tǒng)的坐標(biāo)衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星地圖顯示。

4 結(jié)束語

該衛(wèi)星出行系統(tǒng)可對(duì)載體（無人汽車，無人機(jī)等）經(jīng)緯度、行駛速度、時(shí)間、里程以及其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)，通過藍(lán)牙和GPRS 等無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出給客戶端（APP）和云端服務(wù)器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了太陽能發(fā)電節(jié)能減排、云端服務(wù)器存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)處理，功能豐富，應(yīng)用前景廣。