兩種基于北斗BDM100模塊的家庭監(jiān)護(hù)終端設(shè)計※

時光，馬維華，魏金文

（南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210016）

引 言

隨著社會的發(fā)展，我國人口老齡化越來越嚴(yán)重，對于老人的監(jiān)護(hù)成了一個社會問題。本文根據(jù)老人監(jiān)護(hù)的需求特點(diǎn)[1]，利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合北斗定位模塊BDM100設(shè)計了兩種針對不同需求的家庭監(jiān)護(hù)終端方案，用于對老人進(jìn)行實(shí)時定位，并將實(shí)時位置信息傳輸?shù)奖O(jiān)管人手中。第一種方案采用支持3G網(wǎng)絡(luò)的EVDO模塊MC8630，結(jié)合以ARM9為內(nèi)核的AT 91SAM9260芯片進(jìn)行位置信息回傳。該方案具有傳輸迅速、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以為以后傳遞身體信息、環(huán)境信息提供擴(kuò)展空間。第二種方案采用支持2G網(wǎng)絡(luò)的GSM模塊GTM900，結(jié)合以Cortex-M3為內(nèi)核的LPC1766芯片進(jìn)行定位信息傳送，該方案結(jié)合良好的軟件設(shè)計，具有成本低、性能穩(wěn)定的特性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測，這兩種方案都能很好地解決家庭監(jiān)護(hù)中老人的實(shí)時定位問題。

1 BDM100模塊設(shè)計

BDM100模塊是一款雙系統(tǒng)高性能的GNSS模塊，能夠同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點(diǎn)，很好適應(yīng)低成本、低功耗領(lǐng)域，可以進(jìn)行大規(guī)模的北斗系統(tǒng)集成應(yīng)用。模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

圖1 BDM100模塊結(jié)構(gòu)框圖

從圖1中可以看到，BDM100支持 UART、SPI、1PPS、I2C總線等多種接口。其可以通過相關(guān)器、FFT和匹配濾波器混合應(yīng)用以及算法優(yōu)化，在各種復(fù)雜環(huán)境下保持出色的捕捉跟蹤能力和快速TTFF功能。采用多路徑抑制技術(shù)和高質(zhì)量的原始觀測數(shù)據(jù)，可以保證很高的授時、導(dǎo)航精度。BDM100芯片可以采用多系統(tǒng)混合定位的方式，這樣可以提高定位精準(zhǔn)度，因?yàn)楸疚牟捎帽倍范ㄎ幌到y(tǒng)，所以只選取其北斗定位功能。另外，BDM100芯片有3個串口，用戶可以自行設(shè)置其波特率，默認(rèn)波特率是9 600，并且可以通過串口3進(jìn)行固件升級。該模塊的定位精度可達(dá)到3 m，測速精度可以達(dá)到0.1 m/s。本系統(tǒng)采用的外圍應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 BDM100模塊外圍電路

本系統(tǒng)的兩個方案均使用串口1與MCU通信，串口3預(yù)留出接口以便日后升級。特別注意：模塊正常啟動時，在復(fù)位信號有效期內(nèi)，保持串口3輸入引腳電平恒定為高，否則模塊將進(jìn)入升級固件模式，無法正常啟動。模塊復(fù)位信號低電平有效，且持續(xù)時間不得小于2 mm。該模塊配備的天線必須為＋2.85 V有源天線，天線連接至模塊的GNSS＿ANT引腳，有源天線內(nèi)部集成LNA（低噪聲放大器），可以直接連接到模塊GNSS＿ANT引腳；若采用非＋2.85 V的有源天線，則需要為天線供電。

BDM100模塊在其采用的軟件接口協(xié)議中，主要通過消息的傳遞來完成信息的傳送，其中“消息”是全ASCII碼組成的字符串。消息的基本格式如表1所列。

表1 BDM100模塊消息格式

其中所有的消息都以＄（0x24）開始，后面緊跟消息名，之后跟有不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)。消息名與數(shù)據(jù)之間均以逗號（0x2C）進(jìn)行分隔。表示輸入的消息可以以“＼r”（0x0D）或“＼n”（0x0A）或兩者的任意組合結(jié)束，而表示輸出的消息則全部以“＼r＼n”組合結(jié)束。消息名和參數(shù)中的字母均不區(qū)分大小寫。

BDM100模塊在使用之前需要進(jìn)行初始化，初始化過程就是模塊和主控芯片之間進(jìn)行消息交互的過程。BDM100模塊具有授時和定位功能，本系統(tǒng)只用到其定位功能。

系統(tǒng)需要用到的初始化指令略——編者注。

2 3G方案設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

以3G方案設(shè)計的監(jiān)護(hù)終端，采用ARM926EJ-S為內(nèi)核的AT91SAM9260芯片作為主控芯片。該芯片具有性能穩(wěn)定，外圍接口豐富，內(nèi)嵌以太網(wǎng)，具備快速RAM和ROM，支持Linux操作系統(tǒng)的特性。消息回傳的3G芯片采用EVDO模塊 MC8630，3G服務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量，EVDO模塊支持中國電信CDMA2000提供的所有數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)；對于無線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，EVDO的接入速度已經(jīng)接近有限ADSL上網(wǎng)的水平，而且采用此種方式，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，為以后的性能擴(kuò)展留下空間，滿足方案設(shè)計要求。

2.1 硬件設(shè)計

3G方案硬件連接框圖如圖3所示。

圖3 3G方案框圖

BDM100模塊和主控芯片AT91SAM9260通過UART接口連接，而3G芯片MC8630通過USB口與主控芯片連接，這樣在保證接收與發(fā)送穩(wěn)定性的同時，還可以為以后的功能擴(kuò)展提供空間。BDM100模塊和主控芯片的具體連接電路見圖2，3G模塊和主控芯片的連接如圖4所示。

圖4 3G模塊和主控芯片連接圖

2.2 軟件設(shè)計

在主控芯片AT91SAM9260上使用Linux作為操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)已經(jīng)在眾多嵌入式設(shè)備中使用，其穩(wěn)定性已經(jīng)得到了驗(yàn)證[3]。

2.2.1 BDM100模塊的連接

BDM100模塊采用UART串口和主控芯片通信，在Linux中配置完內(nèi)核之后，利用串口通信接口進(jìn)行初始化和定位信息的傳送。具體的串口通信函數(shù)略——編者注。

2.2.2 MC8630模塊的連接

本方案所用到EVDO射頻模塊，起初是無法被識別的，因?yàn)長inux默認(rèn)配置中并沒有打開這個選項(xiàng)，屬于自定義電路，故需要手動配置。根據(jù)MC8630模塊的電路圖可以看出，CPU與MC8630通過USB口通信，因此需要將處理器的USB口配置為3G功能。Linux對3G模塊的驅(qū)動支持主要是將USB轉(zhuǎn)換為串口，應(yīng)用程序就可以像操作串口一樣操作USB。所以除了打開“USB driver for GSM and CDMA modems”內(nèi)核選項(xiàng)之外，還需打開內(nèi)核選項(xiàng)中USB功能和USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換支持。3G模塊還會用到第三方的撥號軟件，故還需打開PPP撥號功能，配置完之后，編譯內(nèi)核。燒錄系統(tǒng)后，重啟進(jìn)入/dev目錄。若出現(xiàn)USBtty0～USBtty3這4個設(shè)備文件，表明3G模塊的驅(qū)動已被正確加載，如圖5所示。

圖5 3G模塊驅(qū)動加載

在程序初始化時，利用編寫好的撥號腳本綁定PPP0網(wǎng)卡，這樣程序就可以像操作本地網(wǎng)卡一樣操作3G模塊，使用Socket機(jī)制進(jìn)行消息的傳送。具體的撥號腳本等內(nèi)容略——編者注。

2.2.3 服務(wù)器與3G模塊通信協(xié)議

主控芯片AT91SAM9260收到BDM100模塊發(fā)來的消息后，會將消息進(jìn)行重組，通過3G模塊傳送到后臺進(jìn)行解析。因?yàn)橄到y(tǒng)的定位終端具有實(shí)時性，對于年月日信息的需求不是很強(qiáng)調(diào)，所以在初始化北斗時接收了GLL信息，它只含有時分秒的信息。本方案中采用的消息通信協(xié)議規(guī)定如表2所列。

表2 自定義通信協(xié)議

其中起始位和校驗(yàn)位均用unsigned short表示。校驗(yàn)采用每兩個字節(jié)異或操作，編譯時，強(qiáng)迫兩個字節(jié)對齊編譯。

3G模塊采用這種格式將消息傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器進(jìn)行處理，這樣有利于保持信息的穩(wěn)定和簡潔性。

3 2G方案設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2G方案設(shè)計的監(jiān)護(hù)終端采用基于Cortex-M3為內(nèi)核的LPC1766作為主控芯片，2G模塊采用支持GSM網(wǎng)絡(luò)的GTM900芯片[4]。該方案采用的2G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟穩(wěn)定，速度也能滿足信息傳輸要求，配合健壯的軟件設(shè)計，使得其在具體的應(yīng)用中取得良好的效果。

3.1 硬件設(shè)計

具體的硬件連接如圖6所示。

圖6 2G方案框圖

BDM100芯片和GTM900芯片分別通過串口1和串口0與主控芯片LPC1766進(jìn)行連接。其中GTM900與LPC1766的連接只需要將TXD引腳連接到RXD0，RXD連接到TXD0，然后將兩個芯片的GND各自接地即可。而對應(yīng)BDM100和LPC1766的連接則直接根據(jù)圖2所示即可。

3.2 軟件設(shè)計

在2G方案的軟件設(shè)計中，由于不采用操作系統(tǒng)，可直接根據(jù)LPC1766和其他兩個芯片的說明手冊進(jìn)行裸板程序的設(shè)計。首先是要對BDM100芯片和GTM900芯片進(jìn)行初始化操作，此處GTM900芯片的初始化操作要在BDM100芯片之前。因?yàn)锽DM100初始化之后就直接輸出位置信息GLL，而在本方案的程序設(shè)計中，只設(shè)置了一個接收串口數(shù)據(jù)的全局?jǐn)?shù)組變量Rec UartBuf[100]。如果先初始化BDM100芯片，則GLL信息會和GTM900初始化信息沖突。另外，在UART接收程序中，因?yàn)槊看谓邮盏臄?shù)據(jù)長度不固定，所以不能設(shè)置為多字節(jié)中斷。在本方案中將程序設(shè)置為1字節(jié)中斷，并設(shè)置定時器中斷，用來判定數(shù)據(jù)是否傳送完畢。在之前的BDM100芯片介紹中，將位置信息GLL的頻率設(shè)置為1次/s，則在本方案中將定時器中斷設(shè)置為0.5 s。這樣就可以有足夠的時間接收并傳遞信息，在定時器中斷函數(shù)中將信息標(biāo)志變量Rec Uart Flag設(shè)置為1，表示有數(shù)據(jù)進(jìn)入，此時利用Uart0Sent函數(shù)將傳遞過來的GLL信息通過2G模塊發(fā)送到后臺服務(wù)器[5]。

在本方案中，因?yàn)楸ＷC程序健壯性的需要，GLL位置定位消息傳送到后臺服務(wù)器的格式是不經(jīng)過重組的原始信息，對于信息的重組和解析任務(wù)則交予后臺服務(wù)器程序處理。

4 系統(tǒng)測試

監(jiān)護(hù)終端的數(shù)據(jù)通過3G或者2G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器之后，服務(wù)器根據(jù)通信協(xié)議對其解析。得到數(shù)據(jù)后，服務(wù)器進(jìn)行如下操作：

①校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有錯，有錯則丟棄，并要求終端重新獲取一次信息并立即傳輸。

②根據(jù)數(shù)據(jù)中的值重組還原，得到經(jīng)緯度及當(dāng)前的時間（格式為：XX時XX分XX秒）。

③根據(jù)經(jīng)緯度信息，調(diào)用地圖服務(wù)，獲取具體位置。

下面介紹3G方案測試：

通過串口軟件獲得的北斗定位信息如圖7所示。

圖7 串口軟件顯示北斗信息

其中顯示北緯32度02438675分，東經(jīng)118度48951303分，后面的090528等表示UTC時間。為了統(tǒng)一格式，將MM度XX分格式轉(zhuǎn)化為MM.NN分（1度等于60分），故118度48951303分相當(dāng)于118.81585505度，32度02438675分相當(dāng)于32.04064458度。而其中UTC時間相當(dāng)于0時區(qū)的時間，對應(yīng)北京時間為東八區(qū)的時間，所以要加上8小時才是標(biāo)準(zhǔn)的北京時間，查找BDM100軟件接口協(xié)議可得GLL消息顯示的UTC時間格式為XX時XX分XX秒，例如090528，對應(yīng)的UTC時間為9時5分28秒，對應(yīng)的北京時間為17時5分28秒。

后臺服務(wù)器程序顯示消息及2G方案測試略——編者注。

為了驗(yàn)證定位的準(zhǔn)確性，打開地球在線（http：//www.earthol.com/），輸入當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，查看定位情況。

如圖8所示，北斗定位的位置為A12號樓，而筆者所在的位置為圖中箭頭所指的A10號樓，誤差在30 m左右。由于免費(fèi)版本的Google地圖其官方宣稱誤差在50 m以內(nèi)，所以本次試驗(yàn)的誤差在合理范圍內(nèi)，表明基于北斗BDM100模塊的定位終端運(yùn)行成功。

圖8 北斗信息定位測試

結(jié) 語

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，作為我國自主研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在滿足軍事用途的同時，也在不斷地加緊民用化進(jìn)程。本文設(shè)計了兩種方案解決家庭監(jiān)護(hù)中位置定位的問題，其中3G方案不僅可以傳輸位置信息，也為以后傳輸各種身體信息、環(huán)境信息提供了接口和可擴(kuò)展的空間。2G方案的優(yōu)點(diǎn)在于其性能穩(wěn)定、成本較低，對應(yīng)具有單一需求的用戶會是一個很好的選擇。這兩種方案設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，對其他工程設(shè)計具有一定參考價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]唐明霞，王秋光.獨(dú)居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)用戶端的設(shè)計[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2007，11（6）：49-52.

[2]北京北斗星通導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司.BDM100軟件接口協(xié)議[EB/OL].[2012-12].http：//www.navchina.com.

[3]魏金文.新一代列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[4]華為技術(shù)有限公司.GTM900無線模塊AT命令手冊[EB/OL].（2007-07）[2014-05].http：//www.huawei.com.

[5]時光，馬維華.一種Android端智能家居遠(yuǎn)程控制方案的實(shí)現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（2）：12-15.