基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位應用研究

張遠海，翁佩純

（1.中山火炬職業技術學院　廣東 中山528436；2.電子科技大學　中山學院，廣東 中山528400）

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位應用研究

張遠海1，翁佩純2

（1.中山火炬職業技術學院廣東 中山528436；2.電子科技大學中山學院，廣東 中山528400）

針對使用北斗進行人員定位管理的目的，采用北斗GPS雙模定位模塊UM220獲得北斗和GPS定位信息，通過兩種定位信息優化定位精度，通過四頻GPRS模塊SIM800H的基站定位功能輔助定位，并將獲得的定位信息進行傳送和通信，從而實現人員的定位管理。采用模塊化設計體積小巧、功耗低，采用北斗GPS兩種定位優化定位精度可達2.0 m。

北斗；SIM800H；定位；UM220

北斗-2衛星導航系統采用獨特的混合星座模式，由地球靜止軌道衛星傾斜地球同步軌道中地球軌道衛星組成。2007年4月13日，北斗衛星系統的首顆中高度圓軌衛星MEO（Compass—M1）衛星成功發射［1］。2012年12月27日，“北斗II代”系統開始向亞太大部分地區提供正式服務，預計在2020年前再發射30多顆衛星，組成覆蓋全球的衛星導航系統［2］。目前已有4顆導航試驗衛星以及16顆導航衛星發射完成。2013年12月27日，《北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件（2.0版）》和《北斗衛星導航系統公開服務性能規范（1.0版）》正式發布，使北斗系統成為世界上首個擁有兩個公開服務頻點的衛星導航系統，定位精度優于10米。隨著北斗系統第二個民用信號B2I以及北斗系統空間信號接口控制文件2.0版的發布，國內外相關企業據此開發了北斗雙頻高精度接收機，使用戶享受到精度更高的導航服務。

GPS全球定位系統 （Global Positioning System）是美國于1995年4月建成并投入使用的，是目前技術最成熟、應用最廣泛的導航系統［3］。本文研究基于北斗GPS雙模定位模塊UM220的人員定位應用，探討基于兩種定位信息優化定位精度。多個衛星導航系統組合是未來發展趨勢［4］。充分利用兩種導航系統的技術優勢，提高目標定位的精度［5］。同時通過四頻GPRS模塊SIM800H的基站定位功能輔助定位，并將獲得的定位信息進行傳送和通信，從而實現人員的定位管理。

1　系統總體設計

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位終端的原理框圖如圖1所示：CPU模塊采用ARM CORTEX M0系列的STM8芯片，其具有高性價比、低功耗的特點。CPU模塊與北斗GPS模塊UM220之間通過串口通信，接收北斗GPS模塊UM220傳來的定位數據和時鐘。CPU模塊與四頻GPRS模塊SIM800H之間也是通過串口通信，CPU模塊通過SIM800H的短信或GPRS數據功能與管理端通信。考慮到人員定位終端的便攜性，終端使用鋰電池供電。同時SIM800H模塊具有藍牙功能，這樣可以配對智能手機等智能設備對定位終端進行管理。定位終端也可以配備傳感器模塊，可以對人員的心率等狀態進行監控。

圖1　GPS/北斗雙模人員定位終端系統框圖

2　硬件設計

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位終端的主硬件原理圖如圖2所示。考慮到北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H和CPU模塊之間都是通過串口通信，系統采用了ARM Cortex-M0系列stm8雙串口的STM8S007芯片作為主控芯片。STM8S007具有20 MIPS@24 MHz、64 Kbytes Flash、6Kbytes RAM、128 bytes true data EEPROM、10-bit ADC、timers、2 UARTs、SPI、I2C等豐富資源。支持寬電壓2.95～5.5 V工作。功耗低，運行模式電流也只有幾個毫安，低功耗模式可以低到幾個微安。

圖2　GPS/北斗雙模人員定位終端原理圖

北斗GPS模塊UM220主模塊采用的是和芯星通公司的UM220模塊，目前已經是第IIIN系列。UM220-III NL是和芯星通針對車載后裝包括導航、監控應用推出的BDS/GPS雙模定位模塊。UM220-III N是UM220III NL系列模塊的第三代產品，采用和芯星通完全自主知識產權的低功耗 GNSS SoC芯片——HumbirdTM，是目前市場上尺寸最小的完全國產化的BDS/GPS模塊，集成度高、易于應用，非常適合對成本要求高的GNSS規模應用。北斗GPS模塊UM220模塊能夠同時支持BD2B1、GPSL1兩個頻點，駐波比小于等于1.5，天線增益15～30 dB。北斗GPS模塊UM220定位精度可以達到2.5mCEP（雙系統水平）和2.0 m CEP（SBAS水平），測速精度為0.1 m/s （GNSS/GPS），工作頻率為BDS B1和GPS L1（1 559～1 577 MHz）。北斗GPS模塊UM220模塊定位模式可以是單系統獨立定位，也可以多系統聯合定位。多系統聯合定位的精度優于單系統獨立定位。北斗GPS模塊UM220首次定位時間（TTFF）為：冷啟動30 s，熱啟動1 s。工作電壓：3～3.6 V。外觀尺寸為30×40×4（mm）［6］。如圖2所示北斗GPS模塊UM220通過串口與STM8S007的UART1進行定位信息的通信。

SIM800H模塊是芯訊通無線科技有限公司的一款四頻GSM/GPRS模塊。SIM800H模塊工作頻率為GSM/GPRS 850/ 900/1800/1900 MHz，可以低功耗實現語音、短信和數據信息的傳輸。SIM800H尺寸為15.8×17.8×2.4（mm），能適用于各種緊湊型產品設計需求。同時SIM800H模塊支持藍牙功能，可以通過藍牙與外部通信。SIM800H模塊也支持Embedded AT指令，方便用戶交互操作。SIM800H模塊采用省電技術設計，在休眠模式下耗電流低至700微安。GPRS數據上下行傳輸速率高達 85.6 kbps，支持標準的全功能串口，可以通過串口使用AT命令進行交互操作和數據傳輸。SIM800H模塊可以使用 “AT+CFUN”命令把模塊配置成最小功能模式。在這種情況下，SIM800H模塊的視頻部分或者SIM卡部分不工作，或者視頻部分和SIM卡部分都不工作，但串口仍可以使用，此時功耗非常低。SIM800H模塊的工作電壓是3.4 V到4.4 V。模塊以最大功率發射時，電流峰值瞬間最高可達到2 A，從而導致在電源電壓上有較大的電壓跌落。如圖2所示在硬件設計時候靠近電源使用一個47 μF鉭電容（C6）并聯一個1μF的陶瓷電容（C5）穩壓，同時并聯的一個33PF（C8）和10PF（C7）電容去除高頻干擾。SIM800H模塊通過串口與STM8S007的UART3進行數據通信。

3　軟件設計

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位終端軟件流程如圖3所示。

CPU模塊初始化完成后通過串口UART1與北斗GPS模塊UM220通信，它們之間的通信采用NEMA-018 3標準協議，每條消息均為全ASCII字符組成的字符串。消息的基本格式為：$MSGNAME,data1,data2,data3,…［*CC］ 所有的消息都以'$'（0x24）開始，后面緊跟著的是消息名。之后跟有不定數目的參數或數據。消息名與數據之間均以逗號（0x2C）進行分隔。最后一個參數之后是可選的校驗和，以'*'（0x2A）與前面的數據分割。最后，輸入的消息可以以' '（0x0D）或' ' （0x0A）或兩者的任意組合結束。輸出的消息以" "結束。每條消息的總長度不超過256個字節。消息名和參數、校驗和中的字母均不區分大小寫。模塊利用了協議的$GPGLL語句，語句格式：$--GLL,Lat,N,Lon,E,time,Valid,Mode*cs，例 如 ：$GPGLL,4002.217867,N,11618.105743,E,123400.000,A,A*5B。其中：“--”為定位系統標識，GP表示GPS系統單獨定位，BD表示北斗系統單獨定位，GN表示GPS與北斗系統混合定位；“Lat”為緯度信息，格式為ddmm.mmmmmm；“N”為南北緯標示，N表示北緯，S表示南緯；“Lon”表示經度，格式為dddmm. mmmmmm；“E”為東西經標示，E表示東經，W 表示西經；“time”為UTC時間，格式為hhmmss.sss；“Valid”為位置有效標識，V表示無效，A表示有效；“Mode”為定位模式標示，V表示無效，A表示有效；“cs”為校驗和，是本條語句從'$'到'*'之間的所有字符進行異或得到的16進制數。CPU模塊接收到有效的定位信息后根據用戶設置確定是否通過SIM800H模塊將定位信息對外發送。

圖3　程序流程圖

CPU模塊通過串口UART3與SIM800H模塊通信，它們之間的通信采用AT指令。指令都以AT開始，發送文本短信的指令流程為：CPU模塊通過串口UART3發 “AT+CMGS=？”，SIM800H模塊返回“OK”表示測試正常。CPU模塊通過串口UART3發“AT++CMGF=1”或者“AT++CMGF=0”設置發送短信為TXT模式或者PDU模式，TXT模式只能發送英文字符，SIM800H模塊返回“OK”表示設置成功。TXT模式下CPU模塊通過串口UART3發 “AT+CMGS=［,］text is entered”進行短信發送，例如串口UART3發：AT+CMGS=”136XXXXXXXX”

>text is entered

+CMGS:41

SIM800H模塊返回“OK”表示信息發送成功。SIM800H模塊還可以基站定位獲取經緯度和日期時間等信息。CPU模塊通過串口UART3發 “AT+CIPGSMLOC=,”，如果< type>=1，SIM800H模塊返回：

+CIPGSMLOC:［,,,< date>,］

OK

如果=2，SIM800H模塊返回：

+CIPGSMLOC:［,,］

OK

其中longitude為經度信息，latitude為緯度信息，date為日期信息，time為UTC時間。SIM800H模塊的基站定位信息可以作為北斗GPS定位信息的輔助信息來提高定位的可靠性。

4　結束語

本文研究基于北斗GPS雙模定位模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的的人員定位應用，以UM220模塊的北斗GPS雙模定位輔以SIM800H模塊的基站定位提升了定位的可靠性。設計方案采用模塊化設計，體積小巧，功耗低適合作為人員定位使用。

［1］劉永明，張云，袁國良.GPS/北斗一2組合定位性能的研究［J］.電子設計工程，2013，21（14）：121-123.

［2］童偉.基于北斗II代/GPS的電力系統雙模時間同步時鐘的研制［J］.電力建設，2014，35（4）：81-85.

［3］劉俊池，李洪文，鄧永停.北斗/GPS接收系統的設計與應用［J］.電子測量技術，2013，36（11）：67-70.

［4］李庚祿,林福民,林智凱,等.北斗二代和GPS聯合導航的雙頻微帶天線的設計［J］.信息通信，2012（4）：12-13.

［5］于露，王警警.GPS一北斗雙模目標定位系統的設計［J］.計算機光盤軟件與應用，2011（14）：192-193.

［6］懷洋，邵瓊玲，路振民.北斗/GPS混合定位模塊UM220應用研究［J］.國外電子測量技術，2014，33（3）：76-79.

Application research of UM220 Beidou/GPS module and SIM800H GPRS module

ZHANG Yuan-hai1，WENG Pei-chun2
（1.Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan 528436，China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Zhongshan Institute，Zhongshan 528400，China）

For the purpose of using the Beidou positioning of personnel management,the use of dual-mode GPS positioning module UM220 Compass Compass and GPS positioning information obtained,optimizing location accuracy by two positioning information,by quad-band GPRS module SIM800H base station positioning assisted positioning,and the obtained Location information for transmission and communication,in order to achieve localization managers.The modular design of compact,low power consumption,the use of two Beidou GPS positioning optimization positioning accuracy up to 2.0 meters.

Beidou；SIM800H；location；UM220

TP-216

A

1674－6236（2016）13-0107-03

2015-09-01稿件編號：201509002

中山市科技計劃項目（2013A3FC0310）；中山市科技計劃項目 （2014A2FC264）；電子科技大學中山學院青年基金（41 4YJ04）

張遠海（1978—），男，黑龍江牡丹江人，工程師。研究方向：通信技術。