基于GSM、GPS模塊的手持無(wú)線(xiàn)線(xiàn)路巡護終端的設計

本文中的硬件設備采用嵌入式開(kāi)發(fā)設計，MCU采用MSP430F149芯片進(jìn)行系統控制，并預設JTAG接口這種簡(jiǎn)單方便的程序下載方式，以便對終端設備功能進(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、性能穩定、信息準確、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，信號穩定、支持900/1,800MHz雙頻、接通率高、信號質(zhì)量好等特點(diǎn)。設備結構簡(jiǎn)單、成本低、操作使用和維護方便，并且集成度高、能耗低、體積小、便于攜帶。

功能實(shí)現

1. GPS定位信息采集通信的實(shí)現

使用單片機的串口與GPS模塊的通信口相連，系統上電后，對MCU進(jìn)行初始化，開(kāi)始串口工作、設置波特率，使MCU與GPS模塊建立通信連接，當GPS模塊接收到定位信息數據后，以全報文的方式發(fā)送給MCU。數據是實(shí)時(shí)的，因此MCU可根據接收的數據判斷當前的時(shí)間和定位情況。

2. GSM短信息收發(fā)通信的實(shí)現

使用AT指令集對GSM模塊進(jìn)行初始化，實(shí)時(shí)接收控制中心發(fā)送的設置信息和查詢(xún)信息，通過(guò)設定的通信協(xié)議來(lái)修改終端設備的各項保密設置，并查詢(xún)終端的當前位置和當前狀態(tài)。

3. 手持設備的操作和顯示

本文設計的手持終端采用簡(jiǎn)潔、易懂、便于使用的按鍵和顯示器?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的按鍵操作和易懂的顯示方法對手持終端進(jìn)行操作，查詢(xún)當前的位置信息、已發(fā)送和未發(fā)送信息，還可以隨時(shí)發(fā)送當前的位置信息給控制中心。

4. 存儲功能的實(shí)現

可以存儲200條已讀和未讀短信息，IIC總線(xiàn)控制，擦出重寫(xiě)次數為十萬(wàn)次。

硬件電路實(shí)現

如圖1中的電路設計框圖所示，手持終端設備主要由MSP430F149 FLASH型單片機、GPS模塊(JP13)、短信收發(fā)控制模塊(BENQ-M32)、FLASH存儲器、LCD顯示器及天線(xiàn)等部分組成。

1. MSP430F149單片機及其主要功能

本系統采用的MSP430F149單片機是德州儀器公司(TI)的MSP430F14x系列，這是一款超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機。它采用“馮-紐曼”結構，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內，兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式。它具有豐富的片內外圍，是F14x系列中功能最強大的一款，非常適合于構成一個(gè)全功能的便攜式單片機應用系統。該器件在本系統中的作用主要包括：管理控制整機工作，對各模塊進(jìn)行上電自檢，處理鍵盤(pán)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)調工作，根據操作完成定位信息的編碼發(fā)送等等。上電啟動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

上電開(kāi)機時(shí)首先對BENQ-M32模塊、LCD顯示器、JP13模塊進(jìn)行初始化。預置英文字符及漢字字符信息，發(fā)送數據給LCD顯示器，顯示開(kāi)機信息。發(fā)送指令給BENQ-M32模塊檢測SIM卡，檢測GSM信號強度。由JP13獲取GPS定位信息，并將信息格式輸出至LCD上顯示。當上述檢測完成后，終端自動(dòng)發(fā)送一個(gè)開(kāi)機信息給信息中心，告知中心該終端已登錄系統。

當檢測到無(wú)SIM卡時(shí)，顯示錯誤信息后程序中斷，終端不再工作；若SIM卡檢測正常，則繼續執行。

終端工作方式有自動(dòng)定時(shí)上報位置信息和手動(dòng)上報兩種工作方式，當系統中心以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，單片機進(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單片機將終端號、信息內容、經(jīng)緯度坐標和發(fā)送時(shí)間格式轉化成字符串，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-159dbm；功耗低：工作電壓+3.3V DC，功耗105mw。JP13獲得定位數據后通過(guò)串口輸出至單片機，通信波特率為115200，輸出數據格式是NMEA-0183。

GPS坐標的提取過(guò)程：接收機只要處于工作狀態(tài)就會(huì )源源不斷地將接收并計算出的GPS導航定位信息傳送至單片機UART串行接口。在未經(jīng)過(guò)分類(lèi)提取之前，這些信息是無(wú)法加以利用的。與其它通信協(xié)議類(lèi)似，對GPS進(jìn)行信息提取必須首先明確其幀結構，然后才能根據結構完成對各個(gè)定位信息的提取。發(fā)送至單片機的數據主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成，根據數據幀的不同，幀頭也不相同，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。這些幀頭標識了后續幀內數據的組成結構，各種幀均以回車(chē)符和換行符作為幀尾標識一幀的結束。本文所關(guān)心的定位數據是經(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(méi)有使用，雖然接收機在不斷向單片機發(fā)送各種數據幀，但在處理時(shí)可以先通過(guò)對幀頭的判斷而僅對“$GPRMC”幀進(jìn)行數據提取，從中提取出所關(guān)心的時(shí)間(日期和時(shí)間)和地理坐標(經(jīng)、緯度)信息進(jìn)行處理。

從GPS接收機中獲得的時(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)才為中國標準時(shí)間。而且GPS使用的WGS-84坐標系也與中國采用的坐標系不同，在使用過(guò)程中也需要對此進(jìn)行變換。

3. 數據傳輸的實(shí)現

由于GSM網(wǎng)絡(luò )在全中國范圍內實(shí)現了聯(lián)網(wǎng)和漫游，用戶(hù)無(wú)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)節省了昂貴的建網(wǎng)費用、設備成本和維護費用。同時(shí)，GSM網(wǎng)絡(luò )對用戶(hù)的數量也沒(méi)有限制，克服了傳統的專(zhuān)網(wǎng)通信系統投資成本大、維護費用高，且網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍和用戶(hù)數量受限的缺陷。與傳統的集群系統相比在網(wǎng)絡(luò )覆蓋上具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，再加上GSM的短信息服務(wù)(Short Message Service, SMS)本身具備無(wú)線(xiàn)雙向數據傳輸功能，性能穩定，為遠程數據傳送和監控設備的通信提供了一個(gè)強大的支持平臺。因此，我們在信息傳輸中采用了GSM的SMS平臺。

在設計實(shí)現中我們選用的短信收發(fā)模塊是臺灣明基公司的BENQ-M32模塊，采用內置天線(xiàn)，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，將收到的信息傳送至單片機進(jìn)行處理，并將單片機傳送來(lái)的信息發(fā)送出去。單片機通過(guò)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)現基于GSM的短信息的收發(fā)、查找和管理。

4. 對GSM無(wú)信號情況的處理

由于通信線(xiàn)路中可能存在手機信號無(wú)法覆蓋的情況，系統設計了信息自動(dòng)存儲功能。當無(wú)GSM信號時(shí)，終端會(huì )自動(dòng)將待發(fā)送的信息存儲在A(yíng)T24C64存儲器中，等待有GSM信號時(shí)再自動(dòng)發(fā)送。

5. 各信號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，當獲取GPS信號時(shí)此信號燈閃爍，正常工作時(shí)不亮，此信號燈的控制由MSP430F149單片機完成，P54輸出脈沖，使得LED閃爍；LED2燈為GSM信號指示，當無(wú)信號時(shí)無(wú)顯示，信號正常時(shí)閃爍，此信號的控制由短信模塊通過(guò)P46腳輸出來(lái)完成；LED3為充電指示燈，充電過(guò)程中此燈亮，充電完成后燈自動(dòng)熄滅。

6.硬件原理圖

該手持終端設備(圖3)由電池供電，電池輸出電壓為4.2V，系統配備了充電器。GPS模塊和MCU的工作電壓是3.3V，由S818將4.2V電壓降到3.3V的標準工作電壓。

本文小結

本文設計的手持終端由GPS接收模塊、GSM射頻收/發(fā)模塊、單片機控制單元三大部分組成。監控中心由電子地圖系統、資料數據庫系統、信息接收單元及數據處理部分組成。傳輸網(wǎng)絡(luò )采用現有的中國移動(dòng)或中國聯(lián)通的GSM短信數據平臺SMS實(shí)現信息傳輸。