基于單片機的采集與處理北斗定位信息系統*

王 妍， 史旭濤， 宮銘舉，曹麗娜

(天津理工大學 計算機與通信工程學院，天津 300384)

基于單片機的采集與處理北斗定位信息系統*

王 妍， 史旭濤， 宮銘舉，曹麗娜

(天津理工大學 計算機與通信工程學院，天津 300384)

針對當代社會空巢老人的增多，突發意外時不能及時呼救的問題，設計了一款基于北斗定位系統的集應急報警與信息交互為一體的多功能報警器。該報警器采用雙串口單片機為主處理器，以北斗定位模塊為核心，結合GSM無線通信模塊、液晶顯示模塊及蜂鳴器，實現快速報警并發送所在位置信息的功能。簡述了硬件與軟件的實施方案及定位信息采集原理，通過多方面對比北斗與GPS定位模塊的速度與檢測衛星數來比較二者性能，實驗結果表明，該系統具有定位快速、可靠性與穩定性較高等特點。

北斗定位系統；信息采集；GSM通信；單片機

0 引言

隨著社會的逐漸老齡化,當老人們外出發生意外時，周圍人因不了解情況無法采取正確措施，家人因不知道事發地點無法及時營救，這已成為嚴重的社會問題，人們對老人呼救報警器的需求越來越高。現階段報警器多為GSM呼救器[1]，對定位應用較少。而作為空間基礎設施的衛星定位系統，可應用于老年人遇險定位。我國自主研發北斗導航定位衛星系統(BDS)[2]具有全天候快速定位、無定位盲區、高度可靠與穩定等優越性，對我國在經濟、國防建設、綜合國力的提高起到了促進與推動作用，北斗定位系統將成為中國導航與定位系統的趨勢[3]。

本文設計一種以STC雙串口單片機為主處理器，以北斗定位模塊為核心,集液晶顯示模塊、蜂鳴器、GSM無線通信模塊為一體的多功能報警器。當老人或弱勢群體發生意外時，按下報警按鍵，蜂鳴器響起，引起周圍群眾的注意，液晶屏上顯示重要信息，如過敏史、藥品位置與家人信息等，提醒援救人員采取正確措施。北斗定位模塊將定位信息傳給單片機，并通過GSM無線通信模塊將定位信息發送到家人手機中，使傷者得到及時營救。相較于傳統通用的GPS定位系統，本設計采用北斗定位系統，具有更好的抗干擾能力、更快的定位速度。

1 系統總體設計

系統主要由雙串口單片機、北斗定位UM220-ⅢN模塊、GSM無線通信SIM900A模塊、液晶屏顯示模塊LCD12864和蜂鳴器組成，系統框圖如圖1所示。利用雙串口的STC12C5A60S2單片機，一路將北斗定位模塊接收的定位報文數據傳送至單片機，通過單片機芯片內部預先編寫好的程序對定位信息進行擇優采集并解析，將其經緯度坐標轉換成高斯平面坐標，最后將需要的解析完畢的信息由GSM無線通信模塊SIM900A發送到預定手機號碼中，用戶便可得到報警人具體的地址信息。液晶顯示模塊負責顯示報警人的重要信息，蜂鳴器引起周圍群眾的注意，實施救援。

圖1 多功能報警器總體系統框圖

2 北斗定位信息格式與提取

北斗UN220-Ⅲ模塊上電后，會每隔一定時間返回一定格式的數據幀，因北斗定位模塊采用NMEA0183傳輸協議[4],所以其數據格式與全球定位系統(GPS)[5]基本相同，其數據格式為：“$——信息類型，x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x”。每幀的起始字符都是“$”，緊接著為信息類型，而后是定位參數，各信息間均以逗號分隔。一幀完整的信息格式如下所示：

$GNRMC,123400.000,A,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,181.631, 110415,,,*CS

以上數據幀表示的意義如下：GNRMC表示推薦最小定位；123 400.000表示當前時間為12時34分00秒；A表示有效定位；4 002.217 821表示緯度；N表示北緯；11 618.105 743表示經度；E表示東經；0.026表示速率；181.631表示航向，指的是偏離正北的角度；110415表示日期；*為語句結束標識符；CS表示從$開始到*之間所有ASCII碼進行異或得到的16進制數。

系統設計中對數據信息進行采集與解析是通過STC12C5A60S2單片機內設程序完成的，首先通過識別幀數據的啟示字符ASCII碼“$”來進行數據幀信息提取，再通過信息類型的判斷來選擇接收，識別正確后，再通過檢索“，”來確定當前北斗模塊所接收的定位參數，從中提取需要的定位信息，本系統僅提取與解析GNRMC中經緯度和時間等信息。

3 系統的硬件設計

STC12C5A60S2單片機是一個具有超快速度、超強抗干擾能力、低功耗等優點的雙串口單片機[6]，本系統中串口1接收北斗定位模塊的數據信息，并對其進行解析；串口2將解析完畢的坐標通過GSM無線通信模塊發送到預定手機號碼中。通過按鍵控制單片機P3～P7的高低電平，使蜂鳴器、液晶顯示模塊及北斗定位模塊開始工作。

3.1 北斗定位模塊

北斗定位模塊UM220-ⅢN硬件原理如圖2所示。

圖2 北斗定位模塊UM220-ⅢN原理圖

北斗定位采用的是UM220-ⅢN模塊，該模塊基于雙系統多頻率高性能低功耗GNSS SoC芯片，該芯片可同時支持高達6路不同頻率的衛星信號，涵蓋北斗等4大導航系統的12個頻點，可對抗數十個單音干擾，支持毫米測量精度。前段芯片采用RFIC,該芯片集成了低噪放(LNA)、混頻器(MIXER)、中頻放大和濾波器、數模轉換器(ADC)、自動增益控制以及本振頻率合成器等。綜合兩芯片，實現了通過外部天線對北斗定位數據的準確接收。

UM220-ⅢN的串口(UART)1為主串口，支持數據傳輸，將串口1的TXD與單片機串口1的RXD連接，使接收的定位數據傳送至單片機內。默認波特率為9 600 b/s。

3.2 GMS無線通信模塊

GSM無線通信模塊SIM900A硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 GSM無線通信模塊SIM900A原理框圖

GSM模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊[7],其內部設有存儲器、基帶信號、射頻，它的工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1、CS-2、CS-3及CS-4。其外圍電路由天線(進行信號的網絡注冊)、串口UART(通過MAX3232芯片進行電平轉化)、數據輸入輸出端(GPIO)、音頻、電源接口、信號指示燈(LCD)和SIM卡槽組成，通過AT指令集進行短信的收發及語音通話等。

通過STC12C5A60S2雙串口單片機進行供電，將單片機串口2的TXD與SIM900A模塊的RXD相連，串口2的RXD與SIM900A的TXD相連，使GSM無線通信模塊SIM900A與單片機相通，實現定位信息的發送。

4 系統的軟件設計

本系統的軟件部分主要完成北斗定位信息的采集、單片機對定位信息提取與解析、定位信息通過GSM發送并通過液晶顯示模塊顯示。上電后，首先對各個模塊進行初始化，通過按鍵控制使蜂鳴器響起，液晶顯示屏開始顯示，與此同時北斗定位模塊通過天線接收定位幀信息，接收正確后進入數據處理流程，單片機通過識別起始符“$”對定位信息類型GNRMC進行判斷，若正確則進行該信息幀的接收與解析，否則繼續進行數據接收，解析完成后將得到的高斯平面坐標發送給GSM模塊，最終由GSM模塊轉發給相關用戶。軟件編程采用C語言，語法靈活，運行速度快，實行效率高。程序流程圖如圖4所示。

圖4 北斗定位數據采集與處理系統程序流程圖

5 北斗與GPS模塊接收定位數據實驗研究

在對北斗定位系統與GPS定位系統接收定位數據對比的實驗研究中，北斗與GPS定位系統分別采用UM220-ⅢN模塊和UBLOX-GPS模塊，在多功能報警器的樣機上進行實驗。實驗時間為5月份(夏季)，地點在北緯N 3904′19.27″,東經11 707′31.84″附近,對時間的定時采用秒表計算,對衛星數的測量采用u-center軟件進行檢測。

5.1 不同時間段的實驗研究

對于不同時間段的UM220-ⅢN模塊與UBLOX-GPS模塊的對比實驗研究，一天中天氣無明顯差異(相對濕度平均為30%)，結果如表1所示。

表1 同一地點不同時間對比數據表格

注：T：定位時間N：檢測衛星數

分析：測試結果顯示，在無明顯天氣變化的一天中，午間與傍晚定位速度較快，夜間則較慢。總體來說，北斗UN220-ⅢN要比UBLOX-GPS定位時間快，檢測衛星數多。反映出北斗的性能要優于GPS。

5.2 不同天氣的實驗研究

對于不同天氣情況的UM220-ⅢN模塊與UBLOX-GPS模塊的對比實驗研究中，晴天的相對濕度為26%，小雨天的相對濕度為55%，陰天的相對濕度為43%，大風天的相對濕度為32%。結果如表2所示。

表2 同一地點不同天氣對比數據表格

注：T：定位時間N：檢測衛星數

分析：測試結果顯示，不同的天氣情況對于信號與衛星的接收有較小的影響，對于UM220-ⅢN來說，定位時間與檢測衛星數有微小的變化，但對于UBLOX-GPS來說，雨天對于定位時間有較大的影響，定位時間明顯加長。總體對比來說，針對不同天氣情況的外界因素，北斗模塊具有較好的抗干擾能力。

5.3 不同位置的實驗研究

對于不同位置的UM220-ⅢN模塊與UBLOX-GPS模塊的對比實驗研究中，對不同位置的實驗所選時間一致，天氣情況(或相對濕度28%)基本相同。結果如表3所示。

表3 同一時間不同位置對比數據表格

注：T：定位時間N：檢測衛星數

分析：根據測試結果顯示，北斗定位UM220-ⅢN模塊和GPS 定位UBLOX-GPS模塊均在不同的地理位置對于信號接收速度與衛星檢測數量上有較大影響，在室外空曠地帶定位速度快，檢測衛星數較多，而在樓道或室內則效果較差，隨著位置地點的優化，定位時間隨之減少，檢測衛星數增加。

總結：不同時間、不同天氣情況、不同地點都會對北斗與GPS的定位數據有一定的影響，而不同位置情況影響較為顯著。但總體來說，北斗的UM220-ⅢN對比與UBLOX-GPS定位速度很快，檢測衛星數較多，具有較好的調節作用。

6 結論

本文采用單片機控制技術，設計實現了基于北斗衛星定位信息采集與處理終端接收北斗定位信息，通過GSM無線通信模塊SIM900A發送地址信息和液晶屏顯示重要信息的多功能報警器，并對其硬件與軟件進行了深入討論。該報警器簡單、便捷，為廣大的普通老年百姓獨自出行發生意外提供了報警系統，保障生命安全。本系統以我國自主研發的北斗定位系統的UM220-ⅢN為核心，通過實驗研究中北斗定位UM220-ⅢN模塊與GPS定位UBLOX-GPS模塊在各個方面的對比，可以清晰地看出北斗定位系統具有更快的定位速度、更高的穩定性。

[1] 吳青，仵博.基于TC35i的GSM報警器的設計與實現[J].微計算機信息，2009，25(2)：306-307.

[2] 高婷，陳洪武，張帥.基于北斗定位的落水人員報警終端的設計[J].計算機工程與設計，2013，34(10)：3472-3473.

[3] 謝軍.北斗導航衛星的技術發展與展望[J].中國航天，2013，26(3)：7-11.

[4] 強德俊，張哲，胡晨.NMEA0183協議解析[J].電子器件，2007，29(2)：698-701.

[5] 馬蘭，袁衛.基于GPS的數據采集處理系統設計[J].現代電子技術，2010(15)：172-173.

[6] 謝維成.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7] 黃鶴松，邊洪寧，劉華東，等.基于GSM 的汽車防盜報警器設計[J].電子技術應用，2011，37(10)：111-116.

史旭濤(1993-)，學士，主要研究方向：通信信號處理。

宮銘舉(1978-)，博士，副教授，主要研究方向：通信信號處理。

A collecting and disposing system for BDS based on single chip microcomputer

Wang Yan, Shi Xutao, Gong Mingju, Cao Lina

(School of Computer and Communication Engineering, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

In view of the increases of contemporary social empty-nesters and the problems of can not call for help in time when sudden accidents occur, this paper designs a model of the multi-function alarm for the integration of emergency alarm and information interaction based on BDS(Beidou Navigation Satellite System). Adopting the dual-serial-port single-chip as the main processor, taking BDS positioning module as the core, incorporating the GSM(Global System for Mobile Communication) wireless communication module, liquid crystal display module and the buzzer, this system achieves the function of alarming rapidly and sending the information of location. This paper expounds the implementing scheme of hardware and software, as well as the principle of positioning and collecting information. Through various contrasts DBS with the speed of the GPS module and the number of its detecting satellites to compare both performances, experimental results demonstrate this system enjoys the characteristics of rapid positioning, high reliability and stability, etc.

Beidou navigation satellite system; collecting information; GSM communication; single-chip microcomputer

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201410060011)

TP277

A

1674-7720(2016)02-0051-03

王妍，史旭濤，宮銘舉. 基于單片機的采集與處理北斗定位信息系統[J] .微型機與應用，2016,35(3)：51-53,59.

2015-08-24)

王妍(1993-)，女，學士，主要研究方向：通信信號處理。