基于A(yíng)RM的GPS地面目標跟蹤及報警系統的設計

隨著(zhù)現代化科技的發(fā)展，人們對移動(dòng)目標監控的要求越來(lái)越高。例如，地面目標跟蹤及報警系統可協(xié)助家長(cháng)實(shí)現對孩子的監控，孩子若遭遇走失或劫持事件，監控中心通過(guò)分析手持終端發(fā)送的GPS數據確定孩子所在位置，以采取相關(guān)安全措施。此外，地面目標跟蹤及報警系統在城市出租車(chē)調度、物流運輸監控等領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用前景。

地面目標跟蹤及報警系統是伴隨著(zhù)GPS技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò )的成熟而發(fā)展起來(lái)的。20世紀90年代初，GPS技術(shù)逐漸興起，基于GPS的移動(dòng)跟蹤、監控系統開(kāi)始走向市場(chǎng)。近年來(lái)，GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)展迅速，其數據傳輸能力明顯加強，并且，GPS技術(shù)更加成熟。2000年5月1日，美國政府宣布取消GPS普通定位的選擇干擾(SA)政策，這樣，一般GPS接收機定位精度可以達到25 m。綜合上述，采用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò )，以低功耗ARM微控制器展開(kāi)設計的地面目標跟蹤及報警系統勢必得到迅猛發(fā)展，市場(chǎng)潛力巨大。

2 GPS和GSM簡(jiǎn)介

全球定位系統(Global Positioning System，GPS)是美國從20世紀70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。其基本原理是把高速運動(dòng)的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方的方法，確定待測點(diǎn)的位置。 GSM系統是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通訊體制中比較成熟、應用最廣泛的一種系統，主要提供話(huà)音、短消息、數據等多種業(yè)務(wù)，本系統就是利用其短消息服務(wù)傳輸數據。

GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著(zhù)特點(diǎn)，廣泛地應用于大地測量、地質(zhì)勘探和車(chē)輛導航等方面，近年來(lái)隨著(zhù)GPS模塊成本的不斷下降和地面通信系統的不斷發(fā)展，GSM和GPS技術(shù)相結合的系統正如火如荼地向前發(fā)展。

3 系統的組成結構

地面目標跟蹤及報警系統由手持終端和監控中心兩大部分組成，如圖1所示。其中手持終端以ARM微控制器為核心，通過(guò)UART0和UART1分別連接GPS模塊和GSM模塊(發(fā)送)；監控中心由PC機和GSM模塊(接收)構成，PC機中安裝的電子地圖軟件用于解析GSM模塊傳來(lái)的定位信息，并精確顯示出被跟蹤目標的具體地理位置。

4 系統的硬件設計

4.1 手持終端部分

手持終端由ARM微控制器、GPS模塊、GSM模塊、按鍵、LCD構成。其結構如圖2所示。

手持終端以L(fǎng)PC2210為主控制器，LPC2210是基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并帶有256 KB的嵌入高速Flash存儲器；128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行[1]。由于內置了寬范圍的串行通信接口，從而給硬件設計和軟件移植都帶來(lái)了很大的便利。GPS模塊采用日本光電公司的GSU-36，體積小，功耗低，抗電磁干擾，可以同時(shí)跟蹤12顆衛星。GSM模塊采用BENQ公司的M22。

LPC2210通過(guò)串行口UART0發(fā)送GPS采樣周期的設置、GPS數據類(lèi)型選擇和通信波特率等控制命令和接收GPS定位信息。通過(guò)串行口UART1發(fā)送AT指令實(shí)現控制GSM的工作和傳送SMS。LCD顯示當前的經(jīng)緯度和時(shí)間等信息，按鍵用來(lái)控制是否發(fā)送信號。

4.2 監控中心部分

監控中心由GSM模塊與PC機組成。采用OziExplorer作為監控中心的電子地圖軟件，在PC機上安裝完OZI，設置好相關(guān)的端口參數，即可實(shí)現將GSM模塊傳送來(lái)的定位信息實(shí)時(shí)顯示在電子地圖上。

5 系統的軟件設計

手持終端的相關(guān)程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序流程如圖3所示。軟件設計主要包括系統初始化、GPS數據處理、GSM數據處理3大部分。

5.1 系統初始化

系統初始化主要是對串行口的初始化，包括傳輸幀格式、波特率的設置。根據GPS模塊、GSM模塊的硬件特性，設置UART0波特率為4 800 b／s、UART1波特率為9 600 b／s，均無(wú)奇偶校驗位，1位5.2 GPS數據處理 GPS模塊接收GPS衛星定位信號，判斷其為GPRMC格式，經(jīng)解析留下經(jīng)緯度、UTC時(shí)間等主要信息以待下一步處理，否則繼續接收GPS衛星定位信號。

GPS模塊輸出的GPS定位信息服從NAME-0183通信標準。NAME-0183通信標準的輸出數據采用的是ASCII碼，其內容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛星狀況等信息。語(yǔ)句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VGT。本系統用到的是RMC紀錄語(yǔ)句，它包含了定位系統需要的所有信息。格式舉例：



5.3 GSM數據處理
確認有按鍵按下時(shí)(啟動(dòng)鍵盤(pán)防抖動(dòng)程序)，提取存儲的數據，轉換成相應的Unicode碼，即符合PDU格式。然后將最終有效的定位信息發(fā)送至監控中心。

GSM的短信業(yè)務(wù)SMS利用信令信道傳輸，它不用撥號建立連接，把要發(fā)送的信息加上目的地址和其他控制信息發(fā)到短信服務(wù)中心，經(jīng)短信服務(wù)中心完成存儲再轉發(fā)送給目標機，這種特性適合數據遠程傳送。每條短信息容量為140字符。GSM終端通過(guò)串行口控制SMS有三種接入協(xié)議，分別是BlockMode、基于A(yíng)T命令的Text Mode和基于A(yíng)T命令的PDU Mode。其中PDU Mode應用最為廣泛。

本系統采用的是PDU Mode，采用AT命令完成短信息的讀取和發(fā)送。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的GSM模塊AT命令集會(huì )稍有不同，本系統采用的是BENQ公司的M22模塊，具體可以參考BENQ公司提供的數據手冊和《AT命令用戶(hù)手冊》等資料。比如發(fā)送一條消息可以采用AT+CMGS命令，格式如下：

AT+CMGS=短信長(cháng)度>+回車(chē)>+目的手機號碼>+回車(chē)>+短信內容>+

系統上電后，ARM微控制器開(kāi)始執行主程序。在主程序中，首先進(jìn)行系統初始化，初始化的內容包括GPS模塊和GSM模塊的基本參數設置，然后進(jìn)入主程序的數據處理部分。

6 系統的實(shí)現

6.1 實(shí)現步驟與結果

啟動(dòng)調試軟件ADS，通過(guò)實(shí)驗板上的JATG接口將編好的源代碼編譯、燒寫(xiě)進(jìn)ARM微控制器。將監控中心GSM模塊上的SIM卡插放到手機中，讓手機充當"臨時(shí)監控中心"。將手持終端脫機上電運行，4、5秒后按下實(shí)驗板上的中斷觸發(fā)按鈕，略等片刻，手機便收到一條來(lái)自手持終端的信息，經(jīng)緯度為3907.9579N，11713.8762E，而實(shí)際精確經(jīng)緯度為3907.8933N，11713.8668E,略存在誤差。

取下手機的SIM卡，放至監控中心的GSM模塊上。開(kāi)啟PC機上的電子地圖軟件OZI，設置COM1口的各參數：波特率4 800 b／s、停止位1、無(wú)奇偶校驗，以使其與GSM模塊匹配。再一次上電運行，點(diǎn)擊OZI上的"導航"按鈕。定位點(diǎn)正好停留在了天津市河東區天津工業(yè)大學(xué)上，放大地圖，定位點(diǎn)落在了實(shí)驗樓所在位置，地圖窗口下方也實(shí)時(shí)顯示出了定位點(diǎn)的經(jīng)緯度數值和當前時(shí)間(如圖4所示)。



6.2 誤差分析
系統調試初步通過(guò)，還得測試其穩定性、分析誤差所在。從實(shí)驗結果得出，定位精度的誤差基本上控制在25 m以?xún)?，誤差原因主要來(lái)自?xún)煞矫妫菏紫仁荊PS模塊硬件本身的性能誤差。GSU-36要求工作電壓為直流3.1 V～3.6 V(紋波≤50 mV)。且模塊使用有源天線(xiàn)，若天線(xiàn)受附近電磁場(chǎng)干擾或GPS衛星所處位置不很理想時(shí)，定位精度會(huì )有不同程度的降低。另一方面，電子地圖的分辨率也大大決定了定位點(diǎn)的精確性。OZI是一個(gè)支持自主測繪、編輯電子地圖的軟件。為達到理想的定位精度，可自行測繪一份更精細的電子地圖。

7 結束語(yǔ)

基于A(yíng)RM微控制器的嵌入式系統能夠完成所需的各種協(xié)議，能夠滿(mǎn)足系統的軟硬件需求。地面目標跟蹤及報警系統整合了GPS、GSM技術(shù)，利用GSM的SMS功能實(shí)現手持終端和監控中心之間的數據傳送，以實(shí)施對目標的實(shí)時(shí)定位跟蹤。在開(kāi)發(fā)測試中，可明顯感覺(jué)到與自建無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)相比，其可操作性及實(shí)時(shí)性有顯著(zhù)提高，而且成本較低，結構簡(jiǎn)單，可靠性較高。