史旭濤， 宮銘舉，曹麗娜

　　（天津理工大學(xué) 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300384）

      摘要：針對當(dāng)代社會空巢老人的增多，突發(fā)意外時不能及時呼救的問題，設(shè)計了一款基于北斗定位系統(tǒng)的集應(yīng)急報警與信息交互為一體的多功能報警器。該報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無線通信模塊、液晶顯示模塊及蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)快速報警并發(fā)送所在位置信息的功能。簡述了硬件與軟件的實(shí)施方案及定位信息采集原理，通過多方面對比北斗與GPS定位模塊的速度與檢測衛(wèi)星數(shù)來比較二者性能，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)

　　隨著社會的逐漸老齡化,當(dāng)老人們外出發(fā)生意外時，周圍人因不了解情況無法采取正確措施，家人因不知道事發(fā)地點(diǎn)無法及時營救，這已成為嚴(yán)重的社會問題，人們對老人呼救報警器的需求越來越高?，F(xiàn)階段報警器多為GSM呼救器［1］，對定位應(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)用于老年人遇險定位。我國自主研發(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、無定位盲區(qū)、高度可靠與穩(wěn)定等優(yōu)越性，對我國在經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、綜合國力的提高起到了促進(jìn)與推動作用，北斗定位系統(tǒng)將成為中國導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的趨勢［3］。

　　本文設(shè)計一種以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無線通信模塊為一體的多功能報警器。當(dāng)老人或弱勢群體發(fā)生意外時，按下報警按鍵，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GSM無線通信模塊將定位信息發(fā)送到家人手機(jī)中，使傷者得到及時營救。相較于傳統(tǒng)通用的GPS定位系統(tǒng)，本設(shè)計采用北斗定位系統(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

　　系統(tǒng)主要由雙串口單片機(jī)、北斗定位UM220ⅢN模塊、GSM無線通信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文數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，通過單片機(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無線通信模塊SIM900A發(fā)送到預(yù)定手機(jī)號碼中，用戶便可得到報警人具體的地址信息。液晶顯示模塊負(fù)責(zé)顯示報警人的重要信息，蜂鳴器引起周圍群眾的注意，實(shí)施救援。　　

2北斗定位信息格式與提取

　　北斗UN220Ⅲ模塊上電后，會每隔一定時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)前時間為12時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；*為語句結(jié)束標(biāo)識符；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)計中對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與解析是通過STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)設(shè)程序完成的，首先通過識別幀數(shù)據(jù)的啟示字符ASCII碼“$”來進(jìn)行數(shù)據(jù)幀信息提取，再通過信息類型的判斷來選擇接收，識別正確后，再通過檢索“，”來確定當(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)緯度和時間等信息。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　STC12C5A60S2單片機(jī)是一個具有超快速度、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，并對其進(jìn)行解析；串口2將解析完畢的坐標(biāo)通過GSM無線通信模塊發(fā)送到預(yù)定手機(jī)號碼中。通過按鍵控制單片機(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。　

　　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，該芯片可同時支持高達(dá)6路不同頻率的衛(wèi)星信號，涵蓋北斗等4大導(dǎo)航系統(tǒng)的12個頻點(diǎn)，可對抗數(shù)十個單音干擾，支持毫米測量精度。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)了通過外部天線對北斗定位數(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無線通信模塊

　　GSM無線通信模塊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)有存儲器、基帶信號、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)行信號的網(wǎng)絡(luò)注冊）、串口UART（通過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、信號指示燈（LCD）和SIM卡槽組成，通過AT指令集進(jìn)行短信的收發(fā)及語音通話等。

　　通過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

　　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)對定位信息提取與解析、定位信息通過GSM發(fā)送并通過液晶顯示模塊顯示。上電后，首先對各個模塊進(jìn)行初始化，通過按鍵控制使蜂鳴器響起，液晶顯示屏開始顯示，與此同時北斗定位模塊通過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)通過識別起始符“$”對定位信息類型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語言，語法靈活，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

　　在對北斗定位系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)接收定位數(shù)據(jù)對比的實(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，在多功能報警器的樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時間為5月份（夏季），地點(diǎn)在北緯N 3904′1927″,東經(jīng)11 707′3184″附近,對時間的定時采用秒表計算,對衛(wèi)星數(shù)的測量采用ucenter軟件進(jìn)行檢測。

　　5.1不同時間段的實(shí)驗(yàn)研究

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

　　分析：測試結(jié)果顯示，在無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來說，北斗UN220ⅢN要比UBLOXGPS定位時間快，檢測衛(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

　　對于不同天氣情況的UM220ⅢN模塊與UBLOXGPS模塊的對比實(shí)驗(yàn)研究中，晴天的相對濕度為26%，小雨天的相對濕度為55%，陰天的相對濕度為43%，大風(fēng)天的相對濕度為32%。結(jié)果如表2所示。

　　分析：測試結(jié)果顯示，不同的天氣情況對于信號與衛(wèi)星的接收有較小的影響，對于UM220ⅢN來說，定位時間與檢測衛(wèi)星數(shù)有微小的變化，但對于UBLOXGPS來說，雨天對于定位時間有較大的影響，定位時間明顯加長?？傮w對比來說，針對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

　　對于不同位置的UM220ⅢN模塊與UBLOXGPS模塊的對比實(shí)驗(yàn)研究中，對不同位置的實(shí)驗(yàn)所選時間一致，天氣情況（或相對濕度28%）基本相同。結(jié)果如表3所示。

　　分析：根據(jù)測試結(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于信號接收速度與衛(wèi)星檢測數(shù)量上有較大影響，在室外空曠地帶定位速度快，檢測衛(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，定位時間隨之減少，檢測衛(wèi)星數(shù)增加。

　　總結(jié)：不同時間、不同天氣情況、不同地點(diǎn)都會對北斗與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。但總體來說，北斗的UM220ⅢN對比與UBLOXGPS定位速度很快，檢測衛(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GSM無線通信模塊SIM900A發(fā)送地址信息和液晶屏顯示重要信息的多功能報警器，并對其硬件與軟件進(jìn)行了深入討論。該報警器簡單、便捷，為廣大的普通老年百姓獨(dú)自出行發(fā)生意外提供了報警系統(tǒng)，保障生命安全。本系統(tǒng)以我國自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)的UM220ⅢN為核心，通過實(shí)驗(yàn)研究中北斗定位UM220ⅢN模塊與GPS定位UBLOXGPS模塊在各個方面的對比，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)

　?。?］ 吳青，仵博.基于TC35i的GSM報警器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.微計算機(jī)信息，2009，25（2）：306307.