基于GPS／GSM技術(shù)的防丟失個(gè)人定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：采用GPS／GSM技術(shù)開(kāi)發(fā)防丟失個(gè)人定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于搜索和保護(hù)丟失的小孩或智障老人。系統(tǒng)利用GPS定位技術(shù)獲得被保護(hù)人員的位置，判斷其是否脫離安全區(qū)域，并可通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)，將其位置信息發(fā)送給用戶。用戶可以通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)內(nèi)部的控制是通過(guò)單片機(jī)完成的，其接收GPS數(shù)據(jù)和來(lái)自用戶的命令，在分析后給出相應(yīng)的處理。系統(tǒng)的定位精度在10米以內(nèi)，能夠及時(shí)將被保護(hù)人員的位置通知用戶。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)：全球移動(dòng)通信系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；TC35i

0 引言
    隨著人們生活水平的提高，無(wú)線通信技術(shù)和全球衛(wèi)星定位(GPS)技術(shù)逐步開(kāi)始應(yīng)用到日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。不論是對(duì)汽車(chē)的防盜監(jiān)控還是搜索和保護(hù)丟失的小孩或智障老人，無(wú)線通信(GSM)和DGPS技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用?；贕SM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信方式覆蓋范圍大、數(shù)據(jù)保密性好、使用方便、成本低。結(jié)合GPS系統(tǒng)，GSM系統(tǒng)可以將車(chē)輛及人員的位置信息通過(guò)無(wú)線通信鏈路傳送到用戶手機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛和人員的監(jiān)控。
    本設(shè)計(jì)利用GPS系統(tǒng)獲取丟失的小孩或智障老人的位置，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，由于短消息業(yè)務(wù)是按發(fā)送的短信條數(shù)收費(fèi)，只要短消息每次限制在140個(gè)字節(jié)即可，這個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度足夠傳送GPS定位信息?？梢砸粤畠r(jià)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小孩和老人的保護(hù)。本系統(tǒng)采用廣泛使用且便宜的AT89C52單片機(jī)、SIRF第三代GPS接收模塊和GSM模塊TC35i設(shè)計(jì)。

1 個(gè)人定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    個(gè)人定位系統(tǒng)主要由四部分組成，即GSM模塊、GPS接收機(jī)模塊、單片機(jī)控制電路和電源電路。GPS模塊負(fù)責(zé)接收定位數(shù)據(jù)；GSM模塊在單片機(jī)的控制下收發(fā)短信；單片機(jī)控制電路對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)用戶的設(shè)置做出相應(yīng)的處理。電源電路由7805和LM294lCS分別產(chǎn)生為+5V和+4．2v直流電壓。+5V直流電壓作為單片機(jī)、GPS模塊的工作電源，+4．2V直流電壓提供給GSM模塊使用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 單片機(jī)控制電路
    系統(tǒng)選用廣泛應(yīng)用的AT89C52單片機(jī)作為MCU。其內(nèi)部有8k字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器和1256字節(jié)的RAM。該單片機(jī)內(nèi)部?jī)H有一個(gè)通用異步串口。為了能夠同時(shí)與GPS以及GSM模塊通信，單片機(jī)需要兩個(gè)串口。所以本系統(tǒng)利用串口擴(kuò)展芯片GM8123實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS數(shù)據(jù)和GSM數(shù)據(jù)的同時(shí)收發(fā)。單片機(jī)與GM8123模塊的接口電路如圖2所示。

    串口擴(kuò)展芯片GM8123工作在多通道工作模式下時(shí)，模式控制引腳MS=0。多通道模式允許3個(gè)子串口同時(shí)全雙工地工作。在此工作模式下，芯片的地址線STADDl～O是輸入口，由MCU控制選擇希望發(fā)送數(shù)據(jù)的子串口，地址線SRADDl～0是輸出口，用于向MCU返回接收到數(shù)據(jù)的子串口地址。通過(guò)對(duì)該芯片的控制，單片機(jī)可以同時(shí)與GPS模塊和GSM模塊全雙工通信。
1．2 GSM模塊
    GSM模塊負(fù)責(zé)在被保護(hù)對(duì)象和監(jiān)控用戶之間傳遞信息。本系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子工業(yè)的GSM模塊TC35i。TC35i模塊是一個(gè)的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在GSM900和GSMl800雙頻段，支持中文短信息。TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過(guò)AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，它支持Text和PDU格式的SMS(短消息)。GSM模塊接口電路如圖3所示。

1．3 GPS模塊
    本系統(tǒng)采用的GPS模塊為SIRF第三代高靈敏度引線式GPS接收模塊SIRF starⅢ。該芯片定位精度在10m以內(nèi)，最多可以同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道。其內(nèi)部有可充電電池，可以保存星歷數(shù)據(jù)，便于快速定位。串口數(shù)據(jù)格式為T(mén)TL電平數(shù)據(jù)輸出，通訊速率為4800通訊波特率，每秒輸出一次GPS全數(shù)據(jù)。該模塊GPS天線采用MMCX接口，數(shù)據(jù)線接口為6線接插件，排線輸出，使用簡(jiǎn)單，一般情況下只需用到三根輸出線，第一腳接3．5～5．5V的直流正電源，第五腳是電源地，第二腳是GPS的輸出線，它是TTL電平的串口信號(hào)，高電平大于2．4V，低電平小于0．4V，輸出驅(qū)動(dòng)能力為2mA，可以直接和單片機(jī)接口。如果只使用默認(rèn)設(shè)置，單片機(jī)只從該模塊讀取數(shù)據(jù)即可。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 GPS定位數(shù)據(jù)的接收
    默認(rèn)情況卜，GPS接收模塊SIRF star III每秒輸出一次定位數(shù)據(jù)，通常采用$GPRMC精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)格式，該數(shù)據(jù)包含了目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、速度(knot)、運(yùn)動(dòng)方向角、年份、月份、時(shí)、分、秒、毫秒、定位數(shù)據(jù)是有效的還是無(wú)效的等重要信息。語(yǔ)句格式如下：
    $GPRMC，<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、<10>、<ll>、<12>、*hh<CR><LF>
    由于只需要知道位置信息，所以在實(shí)際應(yīng)用中只用讀取其中的<1>至<6>即可。
    <1>：代表UTC當(dāng)?shù)貢r(shí)間。格式為“時(shí)分秒”，時(shí)、分、秒均為兩位。
    <2>：代表工作狀態(tài)。“A”表示數(shù)據(jù)可用，“V”表示接收器報(bào)警，數(shù)據(jù)不可用。
    <3>：代表緯度數(shù)據(jù)。格式為“度度分分．分分分分”。
    <4>：代表緯度半球，為“N”或“S”。
    <5>：代表經(jīng)度數(shù)據(jù)。格式為“度度分分．分分分分”。
    <6>：代表經(jīng)度半球，為“E”或“W”。
    軟件在讀取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)后，對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前位置是否處于用戶設(shè)定的安全區(qū)域。判斷方法是根據(jù)用戶設(shè)置的活動(dòng)中心點(diǎn)經(jīng)緯度及被保護(hù)對(duì)象當(dāng)前經(jīng)緯度計(jì)算出是否超出預(yù)先設(shè)定的安全活動(dòng)半徑。根據(jù)判斷結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。其流程圖如圖4所示。

2．2 GSM模塊的控制及短消息處理
    單片機(jī)可以通過(guò)AT指令來(lái)控制GSM模塊TC35i，發(fā)送短信常用TEXT和PDU模式，使用TEXT模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分容易，但缺點(diǎn)是不支持中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。
    兩種模式的選擇由AT+CMGF來(lái)決定，當(dāng)AT+CMGF=0時(shí)為PDU模式，當(dāng)AT+CMGF=1時(shí)為T(mén)EXT模式，當(dāng)需要發(fā)送的短信中含有漢字時(shí)，首先應(yīng)把發(fā)送模式設(shè)置為PDU模式，再把漢字轉(zhuǎn)換為16位的Unicode代碼然后進(jìn)行發(fā)送，而對(duì)于數(shù)字則在其ASCII碼之前補(bǔ)8位二進(jìn)制0，湊足16位后發(fā)送。當(dāng)手機(jī)收到短信時(shí)，通過(guò)程序判斷收到的短信是否有漢字，再?zèng)Q定用何種模式來(lái)讀取短信。
    單片機(jī)主要通過(guò)GSM模塊傳輸兩類信息：一類是接收用戶的設(shè)置及請(qǐng)求命令，并在處理后給予回復(fù)；另一類是當(dāng)單片機(jī)判斷出在被保護(hù)對(duì)象離開(kāi)了安全區(qū)域而發(fā)送給用戶的提醒及位置信息。
    用戶設(shè)置及請(qǐng)求信息的格式如表1所示。單片機(jī)主程序流程圖如圖5所示。

    當(dāng)用戶收到定位短信時(shí)，即可確定被保護(hù)對(duì)象的位置。用戶可以通過(guò)智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)通過(guò)谷歌地圖查詢經(jīng)緯度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的地理位置。

3 結(jié)束語(yǔ)
    經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10m精度以內(nèi)的定位，并能根據(jù)用戶的設(shè)置向用戶提供定位服務(wù)。系統(tǒng)操作方便，適合保護(hù)智障老人和小孩的安全，有較好的實(shí)用價(jià)值。