非機動車定位與報警系統設計

蔡欣言 張曉寒 王良成

（三亞學院理工學院，海南 三亞 572000）

1 引言

隨著機動車數量的逐步增長，城市交通壓力越來越大，路上堵、沒車位已經成為城市交通普遍存在的問題。在這種情況下非機動車的數量急劇增加，因其具有很好的靈活性，受到了更多家庭的青睞[1]。尤其是在接孩子上下學、日常生活使用都很方便。隨著非機動車數量的迅速增長，在給大家帶來方便的同時，同樣也帶來了很多新的管理問題，不遵守交通規則、隨意停車、充電安全、盜搶等問題。尤其是非機動車的隨意停放，阻塞安全通道、占用公共區域、影響市容、容易被盜，如何能夠科學合理的管理非機動車，增加非機動車駕駛員的安全文明意識，防止車輛被盜已成為需要解決的重大課題。GSM 通信網絡已成為眾多通信網絡中性能穩定、覆蓋面廣、價格便宜的通信網絡，短信息提醒、遠程定位服務也非常方便、快捷。該系統就是采用GSM 無線網絡實現非機動車遠程定位查詢與自動報警，為車主非機動車盜搶和城市規范停車管理提供服務。

2 設計方案

2.1 需求分析

非機動車定位與報警系統需要實現實時定位和實時報警功能，定位要滿足誤差要求，定位精度不大于10米。設計一個GPS 信息采集、解碼和應用的系統，實現GPS 數據的實時查看。系統主要由ST89C52 單片機實現GPS 數據的接收和處理并在LCD液晶顯示模塊來實時顯示所需要的數據，緯度和經度坐標也可以通過通信模塊進行短信發送。當停放的車輛因盜搶導致報警系統發出信號，就可以通過系統中的SIM卡發送報警信息短信到非機動車所有者的手機上。

2.2 系統結構

基于單片機的GPS 信息系統作為一個多種技術融合的實用產品，在GPS技術和通信技術的基礎上實施。該系統從總體上可分為發送和接收兩大部分，其中接收端為用戶手機，發送端為安裝在非機動車上的設備，主要有四大組成部分：GPS接收模塊部分、GSM模塊部分、數據處理模塊部分以及數據信息顯示模塊，系統發送端系統結構圖如圖1所示。

圖1 發送端系統結構圖

GPS模塊在捕獲衛星信號后，數據將被主控單片機處理并且通過顯示模塊顯示[2]。合理地進行系統電路的設計，可以確保在捕獲衛星信號后，正確提取時間、經緯度坐標和速度，并將數據發送給LCD數據顯示屏，實時顯示當前位置坐標信息。

3 硬件系統設計

3.1 模塊選型

3.1.1 控制器

系統選用深圳宏晶科技生產的STC89C52單片機作為主控制器，這款控制器的MCU具有低功耗、強抗干擾能力和低電磁干擾的性能，并具有ISP 和IAP 功能。89C 系列的最高工作頻率為80MHz，RAM 數據存儲器為512B 至1280B，閃存為4KB至64KB，其外圍電路如圖2所示。

圖2 單片機外圍電路設計

3.1.2 GPS模塊

通常，GPS 模塊都將RF 射頻芯片、基帶芯片、CPU 內核以及基本外圍電路集成在一起，形成一個集成的模塊，用于接收衛星信號[3]。深圳微科通訊設備有限公司的VK2828U7G5LF 模塊采用了UBX-G7020-KT 作為模塊的主芯片，這使模塊能夠擁有超低功耗和小體積的顯著特征。GPS 模塊通過串口與STC89C52核心控制器相連，當GPS 模塊信號強度滿足系統工作要求時，單片機就能夠收到衛星信號，模塊上的綠色PPS指示燈不斷閃爍。GPS模塊接收到的衛星定位數據遵守NMEA0183協議，系統能夠根據解讀到的協議信息轉換成我們所需要的各類數據。VK2828U7G5LF模塊RF射頻屬性如圖3所示。

圖3 VK2828U7G5LFRF射頻屬性圖

3.1.3 GSM通信模塊

GSM 模塊選用緊湊型的SIM900A 模塊，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，該模塊廣泛用于與無線通信相關的電子產品[4]。SIM900A 模塊的設計非常緊湊，是一種非常可靠的無線通信解決方案。模塊內置基帶處理芯片和射頻芯片，這可以大大方便用戶使用，因其可以在沒有外部電路的情況下直接處理基帶信號和射頻信號，使系統結構簡單。在實際設計中，我們只用到了該模塊的短信發送功能（SMS 服務），所以只需要將模塊對外提供的標準接口與STC89C52的串口相連接，通過單片機微控制器對其發送控制指令就可以實現位置信息實時發送功能。SIM900A擁有豐富的外部接口資源，包括AT命令接口模塊，該模塊支持文本模式和SMS消息傳遞PDU。SIM900A 有三種主要操作模式，即掉電關閉模式、最小模式和操作功能模式。同時，該模塊具有完整的UART接口、天線連接器和天線蓋。

3.2 PCB硬件設計

基于MCS51單片機的非機動車定位與報警系統硬件原理圖設計和PCB 板規劃采用功能先進的Altium Designer19制圖軟件完成。其硬件系統原理圖如圖4所示，原理圖繪制采用了網絡標號的形式，以提高系統可讀性，系統供電電源由供電模塊解決，不再贅述。

圖4 硬件原理圖

Altium Designer19 功能齊全，尤其是在電路電氣規則檢查、PCB 設計合理性檢測方面有很大優勢，提供了一個統一的應用程序解決方案，該解決方案集成了開發集成電子產品所需的所有技術和功能。在使用Altium Designer 進行系統PCB 板布局時，盡量減少各部件之間的電磁干擾，增加了元器件和布線之間的距離，根據PCB設計走線準則進行整個硬件的排布。系統硬件PCB如圖5所示。

圖5 硬件PCB圖

3.3 報警系統設計

報警系統通過在非機動車上安裝震動傳感器，檢測暴力手段開鎖和挪車行為，該信號為開關量信號，通過傳感器檢測震動傳送給單片機，單片機通過SIM卡發送信息到車主手機上，實現防盜報警。

4 軟件系統設計

軟件程序設計使用了KeilμVision4，該軟件是專為單片機程序開發而設計的系統開發軟件，它不僅集成了功能強大的程序開發調試工具包，還提供了豐富的庫函數供程序員修改使用，相對減輕了一定的設計工作量。

主程序流程圖如圖6所示，系統上電后先對LCD顯示模塊、單片機串口和GSM模塊進行初始化操作，然后對天線接收到的GPS數據進行內部解析，若解析成功，則在LCD上進行相關的信息顯示，再判斷按鍵是否觸發或是時間間隔是否達到1min來判斷是否發送短信，若條件達成，則進行相關信息的短信發送。主程序如下：

圖6 主程序流程圖

5 系統測試

系統功能測試的目的是檢驗系統是否能夠按照預定目標工作，主要檢測各項性能指標是否滿足設計要求，該系統的測試分為兩部分：軟件調試和硬件調試。軟件系統測試使用普中科技的PZ-ISP 自動下載軟件和SSCOM 串口調試軟件。普中科技的PZ-ISP 自動下載軟件是一款非常簡單易用的MCU 程序下載助手，支持4800-864000bps 波特率，和STC89Cxx、STC90Cxx、STC11Fxx、STM32F10xx等多種芯片類型。

5.1 GPS接收功能調試

GPS接收功能的調試在整個系統中尤為重要，關乎整體功能的完整性，為了實現接收衛星定位數據信號的功能，在連接單片機之前使用了SSCOM 調試軟件和USB-TTL 模塊在筆記本上預先調試驗證了模塊的基本功能。GPS 接收測試地點在三亞學院學生宿舍區的北寓25號樓四樓的過道，軟件調試數據如圖7所示。

圖7 搜星成功圖

當串口界面中的$GPRMC 后面有經緯度數據時就代表GPS功能調試成功，能夠在信號良好的情況下正常接收當前的衛星信號。通過電腦調試成功后，將實際電路中GPS模塊的串行口TXD 接入單片機的串行口RXD，這樣單片機就能正常接收和處理GPS模塊發送的定位數據。

5.2 GSM模塊功能調試

在GSM 模塊測試中，同樣使用SSCOM 調試軟件和USB-TTL模塊，GSM模塊的TTL電平接口RXD與USB-TTL模塊TTL端的TXD相連接；GSM模塊的TTL電平接口TXD與USB-TTL 模塊TTL 端的RXD 相連接；連接電腦后，在串口調試軟件SSCOM上配置好相關數據后，通過判斷GSM模塊的網絡指示燈閃爍來大致判斷模塊的工作狀態。在調試過程中如果供電沒有問題時，模塊的網絡指示燈還是快速閃爍，那么就可能出現SIM卡不兼容的問題。

GSM模塊在電腦端的調試和GPS模塊的調試流程基本相同，同樣是測試驗證模塊的功能是否正常，不同的是GSM在調試過程中可以通過串口助手來給模塊發送指令[5]。筆記本調試成功后，接入實際電路進行硬件調試。

5.3 系統整體功能調試

在硬件調試中，首先根據硬件電路檢查電路板線路的正確性，同時檢查電源和接地走線，防止短路和極性的錯誤，從而保證信號的暢通。在系統初始化完成后，效果如圖8所示。

圖8 硬件系統調試

系統在正常工作時藍色LED 指示燈亮，代表GPS 可以正常接收到衛星定位信號。按鍵K1 按下，模擬震動傳感器檢測到非機動車受到非法開鎖或者挪動，發出開關信號給單片機，此時紅色LED指示燈亮，發送一條位置信息到指定用戶手機[6]，提醒車主車輛可能存在被盜風險。

用戶手機接收效果如圖9所示。

圖9 手機接收位置數據

6 結語

基于GPS和GSM的非機動車定位與報警系統實現了非機動車實時位置的無線發送功能，通過手機短信接收實時位置。在報警系統觸發后通過短信的方式及時提醒，系統實時在線，遠程控制，實際應用廣泛。在后期改進中嵌入百度地圖或者高德地圖，可以實現地圖上實時位置的查詢功能，應用前景廣闊。