基于GSM、GPS模塊的手持無線線路巡護(hù)終端的設(shè)計(jì)
本文中的硬件設(shè)備采用嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)，MCU采用MSP430F149芯片進(jìn)行系統(tǒng)控制，并預(yù)設(shè)JTAG接口這種簡單方便的程序下載方式，以便對(duì)終端設(shè)備功能進(jìn)行完善和修改。GPS模塊采用德國FALCOM公司的JP13模塊，定位速度快、性能穩(wěn)定、信息準(zhǔn)確、功耗低。GSM短信息模塊采用明基公司的BENQ-M32模塊，具有體積小，信號(hào)穩(wěn)定、支持900/1,800MHz雙頻、接通率高、信號(hào)質(zhì)量好等特點(diǎn)。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作使用和維護(hù)方便，并且集成度高、能耗低、體積小、便于攜帶。
功能實(shí)現(xiàn)
1. GPS定位信息采集通信的實(shí)現(xiàn)
使用單片機(jī)的串口與GPS模塊的通信口相連，系統(tǒng)上電后，對(duì)MCU進(jìn)行初始化，開始串口工作、設(shè)置波特率，使MCU與GPS模塊建立通信連接，當(dāng)GPS模塊接收到定位信息數(shù)據(jù)后，以全報(bào)文的方式發(fā)送給MCU。數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的，因此MCU可根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的時(shí)間和定位情況。
2. GSM短信息收發(fā)通信的實(shí)現(xiàn)
使用AT指令集對(duì)GSM模塊進(jìn)行初始化，實(shí)時(shí)接收控制中心發(fā)送的設(shè)置信息和查詢信息，通過設(shè)定的通信協(xié)議來修改終端設(shè)備的各項(xiàng)保密設(shè)置，并查詢終端的當(dāng)前位置和當(dāng)前狀態(tài)。
3. 手持設(shè)備的操作和顯示
本文設(shè)計(jì)的手持終端采用簡潔、易懂、便于使用的按鍵和顯示器?？梢酝ㄟ^簡單的按鍵操作和易懂的顯示方法對(duì)手持終端進(jìn)行操作，查詢當(dāng)前的位置信息、已發(fā)送和未發(fā)送信息，還可以隨時(shí)發(fā)送當(dāng)前的位置信息給控制中心。
4. 存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)
可以存儲(chǔ)200條已讀和未讀短信息，IIC總線控制，擦出重寫次數(shù)為十萬次。
硬件電路實(shí)現(xiàn)
如圖1中的電路設(shè)計(jì)框圖所示，手持終端設(shè)備主要由MSP430F149 FLASH型單片機(jī)、GPS模塊(JP13)、短信收發(fā)控制模塊(BENQ-M32)、FLASH存儲(chǔ)器、LCD顯示器及天線等部分組成。
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1. MSP430F149單片機(jī)及其主要功能
本系統(tǒng)采用的MSP430F149單片機(jī)是德州儀器公司(TI)的MSP430F14x系列，這是一款超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。它采用“馮-紐曼”結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內(nèi)，兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式。它具有豐富的片內(nèi)外圍，是F14x系列中功能最強(qiáng)大的一款，非常適合于構(gòu)成一個(gè)全功能的便攜式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該器件在本系統(tǒng)中的作用主要包括：管理控制整機(jī)工作，對(duì)各模塊進(jìn)行上電自檢，處理鍵盤輸入，液晶板的字符顯示，指示燈的狀態(tài)顯示，按鍵提示音的生成，控制GSM、GPS模塊的協(xié)調(diào)工作，根據(jù)操作完成定位信息的編碼發(fā)送等等。上電啟動(dòng)過程如圖2所示。
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上電開機(jī)時(shí)首先對(duì)BENQ-M32模塊、LCD顯示器、JP13模塊進(jìn)行初始化。預(yù)置英文字符及漢字字符信息，發(fā)送數(shù)據(jù)給LCD顯示器，顯示開機(jī)信息。發(fā)送指令給BENQ-M32模塊檢測(cè)SIM卡，檢測(cè)GSM信號(hào)強(qiáng)度。由JP13獲取GPS定位信息，并將信息格式輸出至LCD上顯示。當(dāng)上述檢測(cè)完成后，終端自動(dòng)發(fā)送一個(gè)開機(jī)信息給信息中心，告知中心該終端已登錄系統(tǒng)。
當(dāng)檢測(cè)到無SIM卡時(shí)，顯示錯(cuò)誤信息后程序中斷，終端不再工作；若SIM卡檢測(cè)正常，則繼續(xù)執(zhí)行。
終端工作方式有自動(dòng)定時(shí)上報(bào)位置信息和手動(dòng)上報(bào)兩種工作方式，當(dāng)系統(tǒng)中心以GSM短信的形式發(fā)送給終端“自動(dòng)發(fā)信”指令時(shí)，BENQ-M32在接收到信息后，將該信息傳送至MSP430F149單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后獲得自動(dòng)發(fā)送間隔時(shí)間(發(fā)送間隔時(shí)間取值范圍為0~255分鐘，“0”表示終端手動(dòng)發(fā)送)，此時(shí)終端進(jìn)入自動(dòng)發(fā)送狀態(tài)。MSP430F149單片機(jī)將終端號(hào)、信息內(nèi)容、經(jīng)緯度坐標(biāo)和發(fā)送時(shí)間格式轉(zhuǎn)化成字符串，再將字符串傳送至BENQ-M32，以短信的形式發(fā)送給系統(tǒng)中心。
2. GPS定位信息的采集及處理
GPS模塊采用德國FALCOM公司GPS模組JP13，它采用了美國SiRF公司Star III芯片組，具有如下優(yōu)點(diǎn)：定位精度高：定位誤差小于10m；定位速度快：冷啟動(dòng)時(shí)間小于30s；超高靈敏度：靈敏度達(dá)-159dbm；功耗低：工作電壓+3.3V DC，功耗105mw。JP13獲得定位數(shù)據(jù)后通過串口輸出至單片機(jī)，通信波特率為115200，輸出數(shù)據(jù)格式是NMEA-0183。
GPS坐標(biāo)的提取過程：接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)就會(huì)源源不斷地將接收并計(jì)算出的GPS導(dǎo)航定位信息傳送至單片機(jī)UART串行接口。在未經(jīng)過分類提取之前，這些信息是無法加以利用的。與其它通信協(xié)議類似，對(duì)GPS進(jìn)行信息提取必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，然后才能根據(jù)結(jié)構(gòu)完成對(duì)各個(gè)定位信息的提取。發(fā)送至單片機(jī)的數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。這些幀頭標(biāo)識(shí)了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各種幀均以回車符和換行符作為幀尾標(biāo)識(shí)一幀的結(jié)束。本文所關(guān)心的定位數(shù)據(jù)是經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等信息，這些信息均可以從“$GPRMC”幀中獲得。
其它幾種幀格式則沒有使用，雖然接收機(jī)在不斷向單片機(jī)發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀，但在處理時(shí)可以先通過對(duì)幀頭的判斷而僅對(duì)“$GPRMC”幀進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，從中提取出所關(guān)心的時(shí)間(日期和時(shí)間)和地理坐標(biāo)(經(jīng)、緯度)信息進(jìn)行處理。
從GPS接收機(jī)中獲得的時(shí)間信息為格林尼治時(shí)間，因此需要在獲取時(shí)間上加8小時(shí)才為中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。而且GPS使用的WGS-84坐標(biāo)系也與中國采用的坐標(biāo)系不同，在使用過程中也需要對(duì)此進(jìn)行變換。
3. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全中國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，用戶無需另外組網(wǎng)，因而在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時(shí)節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費(fèi)用、設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大、維護(hù)費(fèi)用高，且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和用戶數(shù)量受限的缺陷。與傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)相比在網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，再加上GSM的短信息服務(wù)(Short Message Service, SMS)本身具備無線雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。因此，我們?cè)谛畔鬏斨胁捎昧薌SM的SMS平臺(tái)。
在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中我們選用的短信收發(fā)模塊是臺(tái)灣明基公司的BENQ-M32模塊，采用內(nèi)置天線，支持900/1,800MHz雙頻，其主要功能是完成短信息的收、發(fā)，進(jìn)行SIM卡檢測(cè)，將收到的信息傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，并將單片機(jī)傳送來的信息發(fā)送出去。單片機(jī)通過UART串行接口直接向GSM模塊發(fā)出AT命令，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)基于GSM的短信息的收發(fā)、查找和管理。
4. 對(duì)GSM無信號(hào)情況的處理
由于通信線路中可能存在手機(jī)信號(hào)無法覆蓋的情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信息自動(dòng)存儲(chǔ)功能。當(dāng)無GSM信號(hào)時(shí)，終端會(huì)自動(dòng)將待發(fā)送的信息存儲(chǔ)在AT24C64存儲(chǔ)器中，等待有GSM信號(hào)時(shí)再自動(dòng)發(fā)送。
5. 各信號(hào)指示燈的控制和含義
在正常狀態(tài)下3個(gè)指示燈的作用分別是：LED1為GPS狀態(tài)指示，當(dāng)獲取GPS信號(hào)時(shí)此信號(hào)燈閃爍，正常工作時(shí)不亮，此信號(hào)燈的控制由MSP430F149單片機(jī)完成，P54輸出脈沖，使得LED閃爍；LED2燈為GSM信號(hào)指示，當(dāng)無信號(hào)時(shí)無顯示，信號(hào)正常時(shí)閃爍，此信號(hào)的控制由短信模塊通過P46腳輸出來完成；LED3為充電指示燈，充電過程中此燈亮，充電完成后燈自動(dòng)熄滅。
6.硬件原理圖
該手持終端設(shè)備(圖3)由電池供電，電池輸出電壓為4.2V，系統(tǒng)配備了充電器。GPS模塊和MCU的工作電壓是3.3V，由S818將4.2V電壓降到3.3V的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。
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本文小結(jié)
本文設(shè)計(jì)的手持終端由GPS接收模塊、GSM射頻收/發(fā)模塊、單片機(jī)控制單元三大部分組成。監(jiān)控中心由電子地圖系統(tǒng)、資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息接收單元及數(shù)據(jù)處理部分組成。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)有的中國移動(dòng)或中國聯(lián)通的GSM短信數(shù)據(jù)平臺(tái)SMS實(shí)現(xiàn)信息傳輸。
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