基于GPS自動授時的無線智能控制器的設計

摘要：本文設計了一種利用GPS模塊對時鐘芯片進行授時的無線智能控制裝置。單片機通過串行口接收GPS模塊采集的標準北京時間，完成對時鐘芯片的授時。單片機可根據使用者通過紅外搖控器設置的時間，通過2.4GHz無線模塊準確驅動遠端的電鈴、家用電器等負載工作；單片機還可利用各種傳感器采集的信息，通過2.4GHz無線模塊驅動遠端語音模塊進行報警。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/266055.htm

關鍵詞：GPS模塊；時鐘芯片；2.4GHz無線模塊

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.012

引言

GPS是一項成熟的技術，但是，在我國，民用產品開發方面還不算非常普及，主要集中在導航設備中。在學校，老師工作、學生學習的時間安排等信息往往是通過打鈴儀進行傳播的。學校現有的打鈴儀一般采用時控開關進行控制，時控開關內部由單片機作為主控芯片，走時系統主要依賴于里面的時鐘芯片，時鐘芯片的精度很大程度上取決于外接的晶振，晶振的精度總會存在誤差，時間長了，誤差累計，系統計時就會出現較大的誤差。比如，一個月后，時鐘總是會快或者慢1到2分鐘。隨著時間的推移，誤差會越來越大。所以，每隔一段時間必須通過人工進行維護校準。當學校面積較大時，可能需要用到多個時控開關，而這些時控開關各自的精度也不一定一樣。這樣，勢必會造成作息鈴聲不同步，并且普通的時控開關與打鈴儀之間的連接是通過電線來實現的，中間的線路老化問題也不可避免。通過GPS授時來實現打鈴控制，可以做到時間準確無誤，無需人工校準。通過無線模塊進行傳輸控制信息，可能做到強電與弱電分離，省去控制設備與被控制設備中間電線。線路簡潔，更加安全可靠。對于學校、企事業單位、工廠、部隊等需要用來做作息打鈴和時間控制等場合來說，具有非常良好的應用前景。

1 設計思路與方案

要解決現有學校打鈴設備打鈴時間不準的問題，必須要有一個準確的計時系統和一個可靠的控制打鈴的設備，兩者缺一不可。如果只有計時系統準確，而控制打鈴的設備不能可靠地執行，或者控制打鈴的設備能可靠地執行，而計時系統不準。這樣都無法準確地實現打鈴。

針對上述問題，解決的思路是這樣的：一是利用衛星授時，可以做到高準確性，程序里可以設置每5S鐘校準一次。也就是說幾乎每時每刻都能保持與國家授時中心的時間一致。二是在被控設備上，采用的是無線驅動，即控制系統通過2.4GHz的無線電信號來控制我們的打鈴等設備。

具體的做法是：利用GPS模塊接收衛星標準時間，通過串行通信傳輸給單片機，單片機將信號解調出來，完成對時鐘模塊的校時。操作者可通過紅外遙控器進行設置（打鈴時間、鬧鐘等）。系統可以根據操作者設置的時間，通過無線模塊將指令傳輸給遠端繼電器模塊，并通過繼電器模塊驅動各種控制設備從而實現相應的功能。系統功能框圖見圖1，顯示界面見圖2。

該設計能實現以下功能：GPS自動授時，接收衛星時間，完成對時鐘芯片的授時；無線傳輸控制信號，控制打鈴設備與家用電器或者學校電器設備的工作；定時打鈴功能，可對打鈴設備進行定時打鈴，并可對家用電器或者學校電器設備進行定時開機與關機；消防、地震警報，在出現火災或地震來臨時報警，自動或是手動觸發警報裝置；萬年歷顯示，在液晶屏上顯示年、月、日、時、分、秒，農歷、溫度和24節氣；生日提醒與節日提醒功能，利用大屏幕液晶顯示器顯示相應的文字，對全家人的生日和節假日進行提醒；軟件動態校時，可對時鐘誤差進行修正（在不用GPS時），保證走時精度；按鍵與紅外遙控器兩種設置模式，紅外可提高操作靈活性，更加安全。

2 GPS模塊硬件與軟件設計

2.1 硬件設計

GPS模塊采用瑞士u-blox公司的NEO-6M主芯片，此芯片為多功能獨立型GPS模組，以ROM為基礎架構，成本低，體積小，并具有眾多特性。內置陶瓷天線，可使用USART串口TTL或IIC通信。串口波特率默認9600，4800和38400bps，NMEA通信協議。UBX協議下串口波特率57600bps。

本模塊采用內置28db增益二級放大有源天線，高增益，高信號，高精度。

（ 1 ）可以根據需求定制波特率，4800、9600、38400、19200、115200。

（2）可以根據需求定制輸出頻率，1Hz-5Hz任意選。

（3）可以根據需求定制輸出電平，TL/USB/232可選。

GPS模塊共有6個引腳，分別是1-BOOT、2-電源VCC、3-RXD、4-TXD、5-GND、 6-PPS ， 6個引腳，其中1腳BOOT 是廠家內部升級使用、PPS是一個脈沖周期為1秒、高電平為100ms的秒脈沖輸出端。該電路中使用的是RXD、TXD、電源與地四個引腳。GPS模塊的TXD、RXD與單片機串行口RXD、TXD相連。電路見圖3。

2.2 軟件設計

GPS模塊通過串口向單片機發送固定格式的數據，單片機的串口接收到數據后，進行解析，提取出年、月、日、時、分、秒等信息，然后與時鐘芯片DS1302的時間信息進行比對，不同則修改，程序流程圖見圖4。

NMEA-0183協議定義的語句很多，以“$”開始，常用的兼容性最廣的語句主要有$GPGGA，$GPVTG，$GPRMC。其中：

$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，< 6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>* hh

<1> 為UTC時間，hhmmss（時分秒）格式 。

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，< 6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh

<9> 為UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 。

$GPRMC在本設計中沒有用到。

由于GPS波特率的原因，必須使用11.0592M晶振，否則單片機解析不出數據包。

3 2.4GHz無線模塊硬件與軟件設計

3.1 硬件設計

2 . 4 G H z無線模塊使用的是nRF2401，nRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通信芯片，采用FSK調制，內部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協議。可以實現點對點或者是1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2Mbps。

nRF2401是3.3V供電，電壓過低或過高都會對通信造成影響，要么不能完全通信要么斷斷續續地通信，需要穩壓到3.3V，可以采用穩壓二級管，也可以使用LM317進行穩壓。電路見圖5。

3.2 軟件設計

nRF2401有工作模式有四種：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_ UP 、CE和TX_EN和CS三個引腳決定，詳見表1。

收發模式下有兩種通信方式：ShockBurstTM模式與Direct模式。

ShockBurstTM模式：數據首先傳送到芯片內，然后以設定的速率將數據發射出去，這樣可以保證在較高的數據通信速率下使用低速控制器，降低功耗同時減少受干擾的機會，同時內部集成硬件通信協議和CRC數據校驗，保證了極高的通信穩定性。

Direct模式：數據發送到芯片即通過RF直接發射出去，所有的通信協議、數據校驗都由控制器軟件實現。

兩種模式對比，ShockBurstTM模式更加節能，數據在空中停留時間短，抗干擾性高，程序編制會更加簡單，所以把其配置為ShockBurstTM收發模式。

nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成。

ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個部分：

數據寬度：聲明射頻數據包中數據占用的位數。這使得nRF2401能夠區分接收數據包中的數據和CRC校驗碼；

地址寬度：聲明射頻數據包中地址占用的位數。這使得nRF2401能夠區分地址和數據；

地址：接收數據的地址，有通道1的地址和通道2的地址；

CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗碼和解碼。

流程圖見圖6。

4 性能分析

本系統主要性能指標有：GPS模塊信號接收范圍、授時精度、無線傳輸距離。

從實際測試的情況來看，GPS模塊通過單片機串口實現數據的接收，只需將GPS模塊安置在靠窗戶邊位置就行。再通過無線模塊進行傳輸就能在室內任何一點就能正常地接收GPS信號。

經測試，授時精度能與國家授時中心保持同步；無線模塊的傳輸距離可以達幾十米，如果加裝天線可以達幾百米。

5 結語

利用GPS授時，可做到時間分秒不差，無需人工校時（改善了學校原有的打鈴控制器時間不準，每隔一段時間需要人工校時的情況）。采用紅外遙控，操作方便可靠。利用大屏幕液晶顯示器顯示，操作界面清晰、友好。利用無線模塊控制，改進了硬件，節約成本，提高了可靠性和安全性。綜上所述，本設計具有較大的推廣價值。

參考文獻：

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