基于GSM短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案

摘要：目前大多GPS設(shè)備只能接收GPS信息,不能實現(xiàn)GPS信息轉(zhuǎn)發(fā)。而本文介紹了一種基于GSM短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng),實現(xiàn)了通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸GPS信息功能。該系統(tǒng)主要由Atmega16單片機、GPS接收機GR-87、以及GSM短信模塊TC35i組成。系統(tǒng)能夠及時準確地將GPS獲得的信息傳送給GPS設(shè)備,在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)短信報警。

GPS 作為成熟實用的全球精密測時、測距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)在諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前市面多數(shù)GPS 設(shè)備只有單向通信能力，只能接收GPS信息，而不能將GPS 信息轉(zhuǎn)發(fā)。一旦持有GPS 設(shè)備的人員發(fā)生意外，他人不能及時了解當事人狀況。而本文設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)不僅能夠定時接收全球衛(wèi)星定位信號，并且能通過GSM網(wǎng)絡(luò)向未持有GPS設(shè)備的用戶按需發(fā)送信息；同時在意外發(fā)生時能夠及時將包含地理信息的報警短信發(fā)送到特定手機號碼進行報警操作。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于GSM 短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要有GPS 信息接收機、單片機控制控制模塊（主機、從機）、信息發(fā)送模塊、手機接收測試部分及其他外圍電路組成（見圖1）。GPS 信息接收機接收到的GPS 信息經(jīng)過串口發(fā)送到單片機控制模塊中的主機部分；主機將選擇出來的信息通過同步串行接口（SPI 接口）傳送給MCU 控制模塊的從機部分；從機對信息進行編碼；編碼后的消息經(jīng)過短信發(fā)送模塊發(fā)送到指定的手機。

摘要：目前大多GPS設(shè)備只能接收GPS信息,不能實現(xiàn)GPS信息轉(zhuǎn)發(fā)。而本文介紹了一種基于GSM短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng),實現(xiàn)了通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸GPS信息功能。該系統(tǒng)主要由Atmega16單片機、GPS接收機GR-87、以及GSM短信模塊TC35i組成。系統(tǒng)能夠及時準確地將GPS獲得的信息傳送給GPS設(shè)備,在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)短信報警。

GPS 作為成熟實用的全球精密測時、測距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)在諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前市面多數(shù)GPS 設(shè)備只有單向通信能力，只能接收GPS信息，而不能將GPS 信息轉(zhuǎn)發(fā)。一旦持有GPS 設(shè)備的人員發(fā)生意外，他人不能及時了解當事人狀況。而本文設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)不僅能夠定時接收全球衛(wèi)星定位信號，并且能通過GSM網(wǎng)絡(luò)向未持有GPS設(shè)備的用戶按需發(fā)送信息；同時在意外發(fā)生時能夠及時將包含地理信息的報警短信發(fā)送到特定手機號碼進行報警操作。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于GSM 短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要有GPS 信息接收機、單片機控制控制模塊（主機、從機）、信息發(fā)送模塊、手機接收測試部分及其他外圍電路組成（見圖1）。GPS 信息接收機接收到的GPS 信息經(jīng)過串口發(fā)送到單片機控制模塊中的主機部分；主機將選擇出來的信息通過同步串行接口（SPI 接口）傳送給MCU 控制模塊的從機部分；從機對信息進行編碼；編碼后的消息經(jīng)過短信發(fā)送模塊發(fā)送到指定的手機。

圖1 系統(tǒng)硬件邏輯框圖

1.1 定位跟蹤模塊

GPS 全球定位系統(tǒng)包括GPS 網(wǎng)絡(luò)和專業(yè)的地面接收設(shè)備。接收設(shè)備可以顯示出當前地理信息、時間信息等；如果將當前的信息發(fā)送給信息管理中心，便可以接受管理中心的統(tǒng)一調(diào)度?；贕SM短信模塊的定位追蹤系統(tǒng)便是基于后一種理論進行設(shè)計實現(xiàn)的。GPS 模塊接收來自GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)的C/A 碼，單片機控制模塊根據(jù)信息碼計算得到當前的地理信息位置和時間信息等。GPS 接收模塊的硬件主要包含接收天線、接收機、電平轉(zhuǎn)換電路以及進行GPS 信息數(shù)據(jù)處理的單片機控制模塊中的主機部分（見圖2）。

圖2 GPS 接收模塊原理框圖

GPS 接收模塊是系統(tǒng)的信息源。硬件實現(xiàn)過程中采用了型號為GR-87 的GPS 接收模塊。該GPS接收端的主要參數(shù)為：默認的發(fā)送地理信息的頻率是1HZ,其時間誤差為±0.1s,距離誤差為10 米之內(nèi)。該型號GPS 接收端的信號輸出電平為TTL 電平，需要外加電平轉(zhuǎn)換電路。最后使用MAX232芯片及其相關(guān)電路來輔助完成串口通信。

1.2 單片機控制模塊

單片機控制模塊采用Atmega16L 芯片作為處理器，對GPS 信息數(shù)據(jù)進行存儲和處理。本芯片是8 位的AVR 單片機，具有16KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,具有高可靠性、高速度、高性能、低功耗等特點，同時該芯片擁有豐富的外圍引腳以及接口電路，方便系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

該系統(tǒng)用到兩個單片機控制模塊，分別作為系統(tǒng)的主機和從機。單片機控制模塊中的主機部分用于接收GPS 模塊接收到的GPS 信息并對信息進行簡單的處理，篩選出用戶需要的信息，將信息以串行通信方式傳送給從機模塊（見圖3）；從機部分對數(shù)據(jù)進行編碼，將編碼后信息傳送給GSM 模塊，根據(jù)需要GSM 將信息發(fā)送到指定號碼。

圖3 SPI 同步串行通信模塊

1.3 GSM 接口

TC35i 模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶提供標準的AT 命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的開發(fā)設(shè)計及應(yīng)用。在該系統(tǒng)中TC35i 直接受從機控制，在收到控制信號后，將從機傳送來的信息內(nèi)容發(fā)送給特定的手機號碼。

圖4 GSM 短信息模塊框圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方式，系統(tǒng)軟件由一個主程序和若干個子程序構(gòu)成。主程序負責完成對各個功能模塊（子程序）的調(diào)用。系統(tǒng)軟件的其他部分還涉及到單片機與GSM 模塊之間的串行通信、單片機控制模塊中主機和從機間的SPI 模式通信、單片機對GPS 信息的解碼、對GSM-At 指令的編碼等。

主程序功能是：系統(tǒng)開機后對GPS 模塊、GSM模塊初始化，控制主機部分接收來自GPS 接收模塊的GPS 信息，篩選出其中的特定部分存儲，將數(shù)據(jù)以SPI 通信方式傳給從機；控制從機部分對信息進行編碼并傳送給GSM 模塊。主程序功能框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)的流程框圖。

2.1 系統(tǒng)初始化子程序

系統(tǒng)初始化子程序完成設(shè)置系統(tǒng)串口波特率、啟動串口、初始化數(shù)據(jù)存儲單元任務(wù)，實現(xiàn)單片機控制模塊、外圍器件以及GSM 模塊的初始化工作。

單片機控制模塊從機部分和GSM 短信模塊進行異步串行通信，需對串口進行設(shè)置：

（1）工作方式。

GSM 通信模塊的數(shù)據(jù)接口配置為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無校驗位，因此設(shè)置單片機的串行口工作方式為異步通信模式。

（2）波特率設(shè)定。

Atmega16L 單片機控制系統(tǒng)的晶振為3.6864M,波特率需為9600b/s,所以根據(jù)記數(shù)初值的計算公式：X=256-fose × （1/384） × 波特率，UBRRL=0x16 （USART 通信）。

2.2 軟件定時程序

系統(tǒng)通過設(shè)置16 位定時器1 的寄存器初始值實現(xiàn)定時功能。系統(tǒng)采用頻率為3.6864MHz 的晶振， 機器周期近似為0.3 us , 初始化時預(yù)置TCNT1H=0xD4,TCNT1L=0xFF,（FFFFH-D4FFH）×0.3us=3.3ms,因此每3.3ms 中斷一次。流程圖如圖6 所示。

圖6 定時器中斷子程序

2.3 SPI 同步串行通信

使用SPI 主從模式進行通信關(guān)鍵是時鐘同步，一般為主機輸出同步時鐘，從機輸入同步時鐘。系統(tǒng)設(shè)定主機定時在第5 個時間段時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從機每收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一次SPI 中斷，在中斷程序中將數(shù)據(jù)取走放到相應(yīng)的存儲單元。

2.4 單片機給GSM 模塊發(fā)送AT 指令程序設(shè)計

單片機通過GSM-AT 指令控制GSM 模塊發(fā)送短消息。指令執(zhí)行過程需要單片機與GSM 模塊完成交互應(yīng)答，每次發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)都有嚴格規(guī)定，二者必須依據(jù)規(guī)定實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。本段子程序主要實現(xiàn)的功能是系統(tǒng)上電、完成初始化后，將數(shù)據(jù)形成短信發(fā)送到GSM 網(wǎng)。程序的流程圖如圖8所示。

圖7 SPI 串行通信流程圖

在單片機向GSM 模塊發(fā)送指令時，需要注意以下問題：

1、AT 指令的指令符號、數(shù)據(jù)、PDU 數(shù)據(jù)包等都是以ASCII 編碼形式傳送的；2、需將把手機的短信息工作模式設(shè)置為PDU格式，通過指令A(yù)T+CMGF=0 完成；3、單片機向手機發(fā)送指令需以回車符結(jié)束，表示該條指令的結(jié)束。如單片機向手機發(fā)送"AT+CMGF=0"這條指令，序列為"41H,54H,2BH,42H,4DH,47H,46H,3DH,30H,30H,0DH",最后一個字節(jié)0DH（回車符）表示該條指令結(jié)束。

圖8 AT 指令程序流程圖

2.5 發(fā)送短消息子程序

發(fā)送短消息子程序是整個系統(tǒng)程序的核心部分。初始短信息已經(jīng)經(jīng)過編碼存放在了存儲器中，當需要發(fā)送時，從存儲器中直接提取出來，以ASCII碼的形式進行發(fā)送。

發(fā)送短消息子程序流程圖如圖9 所示：

圖9 短信息發(fā)送程序流程圖

3 總結(jié)

GPS 定位信息準確，GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，使用GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸GPS 定位信號，汲取了GPS 定位系統(tǒng)的精確性、GSM 網(wǎng)絡(luò)費用低廉，短信消息能夠被重發(fā)確保被叫方能夠收到的優(yōu)點，拓展了GPS信號的應(yīng)用范圍，特別是解決了GPS 設(shè)備持有者因發(fā)生意外無法及時報警，不能得到及時救治的問題。經(jīng)過測試，基于GSM 短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng)能夠及時準確的將GPS 信息準確的發(fā)送到指定的手機號碼；同時可以設(shè)置安全距離等信息，當持有GPS 接收設(shè)備的人員出了安全范圍，系統(tǒng)會向指定手機時時發(fā)送GPS 接收設(shè)備的地理位置。

圖1 系統(tǒng)硬件邏輯框圖

1.1 定位跟蹤模塊

GPS 全球定位系統(tǒng)包括GPS 網(wǎng)絡(luò)和專業(yè)的地面接收設(shè)備。接收設(shè)備可以顯示出當前地理信息、時間信息等；如果將當前的信息發(fā)送給信息管理中心，便可以接受管理中心的統(tǒng)一調(diào)度?；?strong>GSM短信模塊的定位追蹤系統(tǒng)便是基于后一種理論進行設(shè)計實現(xiàn)的。GPS 模塊接收來自GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)的C/A 碼，單片機控制模塊根據(jù)信息碼計算得到當前的地理信息位置和時間信息等。GPS 接收模塊的硬件主要包含接收天線、接收機、電平轉(zhuǎn)換電路以及進行GPS 信息數(shù)據(jù)處理的單片機控制模塊中的主機部分（見圖2）。

圖2 GPS 接收模塊原理框圖

GPS 接收模塊是系統(tǒng)的信息源。硬件實現(xiàn)過程中采用了型號為GR-87 的GPS 接收模塊。該GPS接收端的主要參數(shù)為：默認的發(fā)送地理信息的頻率是1HZ,其時間誤差為±0.1s,距離誤差為10 米之內(nèi)。該型號GPS 接收端的信號輸出電平為TTL 電平，需要外加電平轉(zhuǎn)換電路。最后使用MAX232芯片及其相關(guān)電路來輔助完成串口通信。

1.2 單片機控制模塊

單片機控制模塊采用Atmega16L 芯片作為處理器，對GPS 信息數(shù)據(jù)進行存儲和處理。本芯片是8 位的AVR 單片機，具有16KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,具有高可靠性、高速度、高性能、低功耗等特點，同時該芯片擁有豐富的外圍引腳以及接口電路，方便系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

該系統(tǒng)用到兩個單片機控制模塊，分別作為系統(tǒng)的主機和從機。單片機控制模塊中的主機部分用于接收GPS 模塊接收到的GPS 信息并對信息進行簡單的處理，篩選出用戶需要的信息，將信息以串行通信方式傳送給從機模塊（見圖3）；從機部分對數(shù)據(jù)進行編碼，將編碼后信息傳送給GSM 模塊，根據(jù)需要GSM 將信息發(fā)送到指定號碼。

圖3 SPI 同步串行通信模塊

1.3 GSM 接口

TC35i 模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶提供標準的AT 命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的開發(fā)設(shè)計及應(yīng)用。在該系統(tǒng)中TC35i 直接受從機控制，在收到控制信號后，將從機傳送來的信息內(nèi)容發(fā)送給特定的手機號碼。

圖4 GSM 短信息模塊框圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方式，系統(tǒng)軟件由一個主程序和若干個子程序構(gòu)成。主程序負責完成對各個功能模塊（子程序）的調(diào)用。系統(tǒng)軟件的其他部分還涉及到單片機與GSM 模塊之間的串行通信、單片機控制模塊中主機和從機間的SPI 模式通信、單片機對GPS 信息的解碼、對GSM-At 指令的編碼等。

主程序功能是：系統(tǒng)開機后對GPS 模塊、GSM模塊初始化，控制主機部分接收來自GPS 接收模塊的GPS 信息，篩選出其中的特定部分存儲，將數(shù)據(jù)以SPI 通信方式傳給從機；控制從機部分對信息進行編碼并傳送給GSM 模塊。主程序功能框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)的流程框圖。

2.1 系統(tǒng)初始化子程序

系統(tǒng)初始化子程序完成設(shè)置系統(tǒng)串口波特率、啟動串口、初始化數(shù)據(jù)存儲單元任務(wù)，實現(xiàn)單片機控制模塊、外圍器件以及GSM 模塊的初始化工作。

單片機控制模塊從機部分和GSM 短信模塊進行異步串行通信，需對串口進行設(shè)置：

（1）工作方式。

GSM 通信模塊的數(shù)據(jù)接口配置為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無校驗位，因此設(shè)置單片機的串行口工作方式為異步通信模式。

（2）波特率設(shè)定。

Atmega16L 單片機控制系統(tǒng)的晶振為3.6864M,波特率需為9600b/s,所以根據(jù)記數(shù)初值的計算公式：X=256-fose × （1/384） × 波特率，UBRRL=0x16 （USART 通信）。

2.2 軟件定時程序

系統(tǒng)通過設(shè)置16 位定時器1 的寄存器初始值實現(xiàn)定時功能。系統(tǒng)采用頻率為3.6864MHz 的晶振， 機器周期近似為0.3 us , 初始化時預(yù)置TCNT1H=0xD4,TCNT1L=0xFF,（FFFFH-D4FFH）×0.3us=3.3ms,因此每3.3ms 中斷一次。流程圖如圖6 所示。

圖6 定時器中斷子程序

2.3 SPI 同步串行通信

使用SPI 主從模式進行通信關(guān)鍵是時鐘同步，一般為主機輸出同步時鐘，從機輸入同步時鐘。系統(tǒng)設(shè)定主機定時在第5 個時間段時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從機每收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一次SPI 中斷，在中斷程序中將數(shù)據(jù)取走放到相應(yīng)的存儲單元。

2.4 單片機給GSM 模塊發(fā)送AT 指令程序設(shè)計

單片機通過GSM-AT 指令控制GSM 模塊發(fā)送短消息。指令執(zhí)行過程需要單片機與GSM 模塊完成交互應(yīng)答，每次發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)都有嚴格規(guī)定，二者必須依據(jù)規(guī)定實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。本段子程序主要實現(xiàn)的功能是系統(tǒng)上電、完成初始化后，將數(shù)據(jù)形成短信發(fā)送到GSM 網(wǎng)。程序的流程圖如圖8所示。

圖7 SPI 串行通信流程圖

在單片機向GSM 模塊發(fā)送指令時，需要注意以下問題：

1、AT 指令的指令符號、數(shù)據(jù)、PDU 數(shù)據(jù)包等都是以ASCII 編碼形式傳送的；2、需將把手機的短信息工作模式設(shè)置為PDU格式，通過指令A(yù)T+CMGF=0 完成；3、單片機向手機發(fā)送指令需以回車符結(jié)束，表示該條指令的結(jié)束。如單片機向手機發(fā)送"AT+CMGF=0"這條指令，序列為"41H,54H,2BH,42H,4DH,47H,46H,3DH,30H,30H,0DH",最后一個字節(jié)0DH（回車符）表示該條指令結(jié)束。

圖8 AT 指令程序流程圖

2.5 發(fā)送短消息子程序

發(fā)送短消息子程序是整個系統(tǒng)程序的核心部分。初始短信息已經(jīng)經(jīng)過編碼存放在了存儲器中，當需要發(fā)送時，從存儲器中直接提取出來，以ASCII碼的形式進行發(fā)送。

發(fā)送短消息子程序流程圖如圖9 所示：

圖9 短信息發(fā)送程序流程圖

3 總結(jié)

GPS 定位信息準確，GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，使用GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸GPS 定位信號，汲取了GPS 定位系統(tǒng)的精確性、GSM 網(wǎng)絡(luò)費用低廉，短信消息能夠被重發(fā)確保被叫方能夠收到的優(yōu)點，拓展了GPS信號的應(yīng)用范圍，特別是解決了GPS 設(shè)備持有者因發(fā)生意外無法及時報警，不能得到及時救治的問題。經(jīng)過測試，基于GSM 短信模塊的定位跟蹤系統(tǒng)能夠及時準確的將GPS 信息準確的發(fā)送到指定的手機號碼；同時可以設(shè)置安全距離等信息，當持有GPS 接收設(shè)備的人員出了安全范圍，系統(tǒng)會向指定手機時時發(fā)送GPS 接收設(shè)備的地理位置。