基于GPRS+GPS的遠程定位系統的設計與實現

高旭旭 陳富強

基于GPRS+GPS的遠程定位系統的設計與實現

高旭旭 陳富強

本文設計了一個基于GPS+GPRS的遠程目標定位監控系統；定位終端使用單片機作為核心處理器，將GPS接收模塊得到的地理位置信息通過GPRS無線通信網絡傳輸到服務器端，并在服務器端進行處理以達到遠程定位的功能。仿真和實際測試結果表明，該系統方案可行，能夠準確實現對目標的遠程定位。

當今時代，高精度的定位系統迅速發展，其中發展比較成熟的定位系統有美國的全球定位系統（GPS）、歐洲的伽利略以及中國正在建設的北斗。這些定位系統被廣泛應用于各行各業。其中美國的全球定位系統（GPS）有著較高精確度。這里我們介紹一種基于GPS+GPRS的定位系統，該系統能夠在實現定位的同時，還能通過GPRS將地理位置信息發送到終端，從而用戶就能夠隨時獲得系統所處的地理位置，該系統已成功應用于地理位置的實時監控，并且能正常運行。

遠程定位系統設計

整體結構

該定位系統主要由終端定位系統，服務器、GPRS網絡以及空中的衛星組成，系統原理圖如圖1所示。終端定位系統包括SIM300的GPRS數據傳輸模塊、LEA-5H定位模塊以及STC12C5A60S2中央處理器模塊。簡單工作流程如下：當SIM300接收到來自用戶的短信時，會給處理器反饋代表接受到新消息的信息，處理器會提取短信內容。若為查詢地理位置的信息的指令時，處理器會從GPS獲取地理位置信息，并將該信息以短信或GPRS網絡的方式發送到用戶，從而實現遠程定位的功能。

圖1 黑匣子遠程系統的示意圖

遠端服務器主要功能是通過GPRS網絡和定位終端的SIM300建立連接，從而實現數據交換的功能，當接收到來自定位終端的信息時，服務器會對其進行存儲和處理，通過相關經緯度確定相應的地理位置。

定位終端

終端定位系統總體結構如圖2所示。所示，其中主要包括中央處理器模塊，GPS定位模塊、GPRS數據傳輸模塊以及電源模塊。

圖2 定位單元系統框圖

微處理器

本系統的中央處理器采用的是STC12C5A60S2，該系列單片機具有抗干擾能力強、高速可靠、低功耗的特點。掉電模式下，可以外部中斷超低功耗喚醒，當單片機進入休眠模式時，工作電流很小，功耗很低。該單片機還具有兩個串口，可以分別和GPS模塊、GPRS模塊進行通信，進而協調整個系統的工作，處理來自SIM300的信息，以及從GPS獲取位置信息，串口連接示意圖如圖3所示。

圖3 外部串行接口連接圖

GPS模塊

定位模塊采用的是LEA-5H模塊，該模塊可同時支持GPS和伽利略兩種定位系統，屬于第五代GPS定位模塊，通道數增加到50個，和單片機之間通過串口進行連接，GPS模塊接口電路如圖4所示。

圖4 GPS模塊接口電路連接圖

GPRS模塊

SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內的GSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三種頻率下工作，能夠提供GPRS的信道類型多達10個，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案。在啟動方式上，設計了自啟動和手動啟動兩種方式，可以通過跳線帽來進行切換。

SIM300可以直接通過串口與單片機進行通信，其內部集成了TCP/IP協議棧，以及擴展了相應的AT指令集，極大方便了用戶的使用。這里使用的 GPRS數據傳輸功能，下行數據傳輸速率85.6kbps，上行數據傳輸速率42.8kbps，對于傳輸較為簡單的地理位置信息，已經能夠滿足

要求。該模塊的外圍電路圖如圖5所示。

圖5 SIM300的外圍電路圖

系統軟件設計

微處理器的軟件設計

系統上電時，處理器會初始化GSM模塊和GPS模塊，通過檢測模塊反饋回來的信息來判斷是否初始化成功。初始化完成后，單片機進入低功耗模式，并通過看門狗定時器設置一個定時時間，定時時間一到，處理器會被從低功耗的模式下喚醒，檢測此時是否有控制指令到達，若沒有就繼續進入休眠狀態，并自動重裝定時器的裝載值，若有就進行相應處理分析，一直重復進行。單片機流程圖如圖6所示。

圖6 單片機流程圖

GPS模塊的軟件設計

GPS上電后，會定時返回數據，數據格式為：$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x每行開頭的字符都是‘$’，然后是信息類型，后面是數據，以逗號分隔。信息類型可分為六種，GPGSV：可見衛星信息GPGLL：地理定位信息GPRMC：推薦最小定位信息GPVTG：地面速度信息GPGGA：GPS定位信息GPGSA：當前衛星信息。

這里選用的是“$GPRMC”格式，完整的數據格式如下所示：$GPRMC，080655.00，A，4546.40891，N，12639.65641，E，1.045，328.42，170809…A*60，第一部分表示UTC時間，是格林尼治時間，格式是時分秒，需把它轉換為北京時間；第二部分表示定位狀態，A為有效定位，V為無效定位；然后是經緯度，N表示北緯， E表示東經，需要按相應的格式將具體的度分秒提取出來；接著是地面速率（000.0～999.9節）和地面航向（000.0～359.9），其中速率單位是海里/時，航向是偏離正北的角度；緊接著是UTC日期，格式為日月年，可直接提取。

GPS模塊通過串口和單片機連接，并按照GPRMC信息類型進行數據傳輸。

GPRS模塊的軟件設計

這里主要利用SIM300的GPRS功能來進行數據傳輸。單片機通過串口發送AT指令來對GPRS進行初始化配置，同時SIM300會反饋相應的應答信息，通過判斷這些信息來做出相應的處理。并通過TCP連接方式連上目的IP，進而和服務器進行連接，實現了定位終端與服務器通過GPRS網絡進行數據交換的功能。這里涉及的AT指令如表1所示。

表1 GPRS數據傳輸的AT指令

GPRS模塊數據發送流程圖（如圖8所示）。

圖8 GPRS模塊數據發送流程圖

服務器端軟件設計

由于GPRS只能連接到公網，因此需要一個公網IP地址，這里我們通過在花生殼注冊賬戶來獲取一個免費的公網IP，然后設置路由器，將申請的域名和路由器的動態DNS進行綁定，從而就能通過域名找到路由器的IP地址，然后再通過設置路由器虛擬服務器的轉發功能，將接收到的數據發送到指定的上位機。該系統中使用TCP/IP協議，在客戶機/服務器模型下采用Socket技術實現網絡通信。將上位機作為服務器端，定位終端作為客戶端，這就形成了典型的C/S結構，即Client/Server結構，最終信息傳輸到上位機進行處理。監控中心的軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 監控中心端的軟件設計流程圖

結束語

本系統基于GPRS+GPS并采用了相關的計算機技術，設計了能夠獲取準確位置信息的定位系統。該系統通過GPRS無線網絡實現無線數據傳輸，從而實現遠程定位的功能，具有良好的應用前景和實用價值。

高旭旭 陳富強

北方工業大學電子信息工程學院

高旭旭，女，在讀本科生。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.022

北京市大學生科學研究與創業行動計劃項目（編號：15006）