采用北斗BDM100模塊的兩種家庭監(jiān)護終端設(shè)計

　　隨著社會的發(fā)展，我國人口老齡化越來越嚴重，對于老人的監(jiān)護成為了一個社會問題。本文根據(jù)老人監(jiān)護的需求特點，利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合北斗定位模塊BDM100設(shè)計了兩種針對不同需求的家庭監(jiān)護終端方案，用于對老人進行實時定位，并將實時位置信息傳輸?shù)奖O(jiān)管人手中。第一種方案采用支持3G網(wǎng)絡(luò)的EVDO模塊MC8630,結(jié)合以ARM9為內(nèi)核的AT91SAM9260芯片進行位置信息回傳，該方案具有傳輸迅速，可擴展性強的特點，可以為以后傳遞身體信息，環(huán)境信息提供擴展空間。第二種方案采用支持2G網(wǎng)絡(luò)的GSM模塊GTM900,結(jié)合以Cortex-M3為內(nèi)核的LPC1766芯片進行定位信息傳送，該方案結(jié)合良好的軟件設(shè)計，具有成本低，性能穩(wěn)定的特性。經(jīng)過實驗檢測，這兩種方案都能很好的解決家庭監(jiān)護中老人的實時定位問題。

　　1 BDM100模塊設(shè)計

　　BDM100模塊是一款雙系統(tǒng)高性能的GNSS模塊，能夠同時支持BD2 B1，GPS L1兩個頻點，很好適應(yīng)低成本，低功耗領(lǐng)域，可以進行大規(guī)模的北斗系統(tǒng)集成應(yīng)用。模塊的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

　　圖1 BDM100模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　從芯片結(jié)構(gòu)框圖中可以看到，BDM100支持UART，SPI，1PPS，I2C等多種接口。其可以通過相關(guān)器，F(xiàn)FT和匹配濾波器混合應(yīng)用以及算法優(yōu)化，在各種復(fù)雜環(huán)境下保持出色的捕捉跟蹤能力和快速TTFF功能。采用多路徑抑制技術(shù)和高質(zhì)量的原始觀測數(shù)據(jù)，可以保證很好的授時，導(dǎo)航精度。BDM100芯片可以采用多系統(tǒng)混合定位的方式，這樣可以提高定位精準度，因為本文采用北斗定位系統(tǒng)，所以只選取其北斗定位功能。另外，BDM100芯片有3個串口，用戶可以自行設(shè)置其波特率，默認波特率是9600，并且可以通過串口3進行固件升級。該模塊的定位精度可達到3米，測速精度可以達到0.1米/秒。本系統(tǒng)采用的外圍應(yīng)用電路圖如下：

　　圖2 BDM100模塊外圍電路圖

　　本系統(tǒng)的兩個方案均使用串口1與MCU通訊，串口3預(yù)留出接口以便日后升級。特別注意：模塊正常啟動時，在復(fù)位信號有效期內(nèi)，保持串口3輸入引腳電平恒定為高，否則模塊將進入升級固件模式，無法正常啟動。模塊復(fù)位信號低電平有效，且持續(xù)時間不得小于2毫秒;該模塊配備的天線必須為+2.85V有源天線，天線連接至模塊的GNSS_ANT引腳，有源天線內(nèi)部集成LNA(低噪聲放大器)，可以直接連接到模塊GNSS_ANT引腳，若采用非+2.85V的有源天線，則需要為天線供電。

　　本文所使用的BDM100模塊在其采用的軟件接口協(xié)議中，主要通過消息的傳遞來完成信息的傳送，其中“消息”是全ASCLL碼組成的字符串。消息的基本格式為：

　　表1 BDM100模塊消息格式

　　其中所有的消息都以$(0x24)開始，后面緊跟消息名，之后跟有不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)。消息名與數(shù)據(jù)之間均以逗號(0x2C)進行分隔。表示輸入的消息可以以‘\r’(0x0D)或‘\n’(0x0A)或兩者的任意組合結(jié)束，而表示輸出的消息則全部以‘\r\n’組合結(jié)束。消息名和參數(shù)中的字母均不區(qū)分大小寫。

　　BDM100模塊在使用之前需要進行初始化，初始化過程就是模塊和主控芯片之間進行消息交互的過程。BDM100模塊具有授時和定位功能，本系統(tǒng)只用到其定位功能，所以對于授時功能的初始化不做描述。

　　本系統(tǒng)需要用到的初始化指令如下表所示：

　　表2 BDM100模塊初始化指令

　　其中在3G方案中由于采用USB接口通信，需要將波特率設(shè)置為115200(默認波特率9600)，具體命令為：$CFGPRT，3，h0，115200，3，3。由于本系統(tǒng)用到的是北斗定位系統(tǒng)，而BDM100模塊可以支持GPS和北斗混合定位，所以需要在初始化時將模塊設(shè)置為北斗定位模式，可以采用兩個命令實現(xiàn)-CFGSYS/CFGNAV,具體命令為：$CFGSYS，h10或者$CFGNAV，1000，1000，3，2。對于輸出的消息有多種，具體的編碼見下表：

　　表3 BDM100模塊消息類型列表

　　本系統(tǒng)中用到的輸出需要地理位置信息和對應(yīng)的時間信息，由上面的消息類型可以看出采用GLL消息或者RMC消息皆可以滿足要求，因為GLL消息比RMC消息短，信息效率比較高，所以系統(tǒng)在設(shè)計中采用GLL消息進行傳送。因方案中連接的控制芯片處理能力限制，GLL消息需要設(shè)置其輸出頻率為1次/秒，而且其對應(yīng)的類別和ID號分別為0和1，通過查找對應(yīng)芯片軟件手冊得知GLL消息的最高輸出頻度為1Hz，所以利用CFGMSG設(shè)置其頻率用的具體指令為：$CFGMSG，0，0，1。

　　當把以上內(nèi)容處理完成，需要將設(shè)置進行保存，用到的指令為：$CFGSAVE。

　　初始化完成以后，BDM100芯片就會以1次/秒的速度通過接口向外輸出數(shù)據(jù)，具體接收以及處理過程由與其相鏈接的主控芯片處理。

　　2 3G方案設(shè)計與實現(xiàn)

　　以3G方案設(shè)計的監(jiān)護終端采用ARM926EJ-S為內(nèi)核的AT91SAM9260芯片作為主控芯片，該芯片具有性能穩(wěn)定，外圍接口豐富，內(nèi)嵌以太網(wǎng)，具備快速RAM和ROM,支持LINUX操作系統(tǒng)的特性。消息回傳的3G芯片采用EVDO模塊MC8630,3G服務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量，EVDO模塊支持中國電信CDMA2000提供的所以數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)，對于無線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，EVDO的接入速度已經(jīng)接近有限ADSL上網(wǎng)的水平，而且采用此種方式，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，為以后的性能擴展留下空間，滿足方案設(shè)計要求。

　　2.1硬件設(shè)計

　　3G方案硬件連接框圖如下：

　　圖3 3G方案框圖

　　其中BDM100模塊和主控芯片AT91SAM9260通過UART接口連接，而3G芯片MC8630通過USB口與主控芯片連接，這樣在保證接收與發(fā)送穩(wěn)定性的同時，還可以為以后的性能擴展提供空間。對BDM100模塊和主控芯片的連接具體電路見圖2,而對3G模塊和主控芯片的連接見下圖：

　　圖4 3G模塊和主控芯片連接圖[!--empirenews.page--]

　　2.2 軟件設(shè)計

　　在主控芯片AT91SAM9260上使用linux作為操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)已經(jīng)在眾多嵌入式設(shè)備上面使用，其穩(wěn)定性已經(jīng)得到了驗證。

　　2.2.1 BDM100模塊的連接

　　BDM100模塊采用UART串口和主控芯片通信，在linux中配置完內(nèi)核之后，利用串口通信接口進行初始化和定位信息的傳送。本方案中，具體的串口通信函數(shù)如下：

　　在進行串口通信時，要先對串口進行初始化，對應(yīng)執(zhí)行Serial_init函數(shù)。

　　具體格式：

　　int serial_init(char *dev， int speed， int is_block)

　　其中dev是設(shè)備文件地址，speed是串口波特率，is_block是設(shè)置在初始化不成功時，是否阻塞等待，直到初始化成功。

　　初始化函數(shù)通過調(diào)用static int open_dev(char *dev， int is_block)函數(shù)來打開設(shè)備文件，其中dev和is_block參數(shù)和初始化函數(shù)中的意義一致。打開成功，返回設(shè)備文件描述符，否則返回-1.通過調(diào)用static void set_speed(int fd， int speed)來設(shè)置波特率，其中fd表示設(shè)備描述符，speed表示速率，在調(diào)用此函數(shù)時，要停止串口工作。

　　初始化完成后，就可以進行數(shù)據(jù)的讀寫，讀函數(shù)為：

　　int serial_read_timeout(int fd，char *str, unsigned int len, unsigned int timeout/*ms*/)

　　此讀函數(shù)是帶有超時機制的串口讀，接收的數(shù)據(jù)放在str的字符串中，fd表示設(shè)備文件地址，len表示讀取的長度，timeout 表示超時時間，ms級別，函數(shù)返回讀取的長度。

　　所謂的超時機制，是指程序利用此函數(shù)讀取數(shù)據(jù)時，會啟動一個線程，有數(shù)據(jù)時運行，無數(shù)據(jù)時阻塞，當線程有數(shù)據(jù)時，讀完數(shù)據(jù)，程序再繼續(xù)，如果超時還沒有讀完，則放棄讀取，程序繼續(xù)，一般在設(shè)置的時間內(nèi)，程序都能讀完數(shù)據(jù)，這樣做是為了防止線程死鎖，無法結(jié)束線程。

　　串口發(fā)送函數(shù)具體格式為：

　　int serial_send(int fd,char *str,unsigned int len)

　　其中fd表示設(shè)備文件地址，發(fā)送數(shù)據(jù)放置在str中，長度為len.發(fā)送成功返回發(fā)送長度，否則返回小于0的值。

　　通過這樣的三個函數(shù)，就可以實現(xiàn)BDM100模塊與主控芯片AT91SAM9260的通信，可以完成相關(guān)的模塊初始化操作和信息的傳輸。

　　2.2.2 MC8630模塊的連接

　　本方案所用到EVDO射頻模塊，起初是無法被識別的，因為Linux默認配置中并沒有打開這個選項，屬于自定義電路，故需要手動配置。根據(jù)MC8630模塊的電路圖可以看出，CPU與MC8630通過USB口通訊，因此需要將處理器的USB口配置為3G功能。Linux對3G模塊的驅(qū)動支持主要是將USB轉(zhuǎn)換為串口，應(yīng)用程序就可以像操作串口一樣操作USB。

　　所以除了打開“USB driver for GSM and CDMA modems”內(nèi)核選項之外，還需打開內(nèi)核選項中USB功能和USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換支持，3G模塊還會用到第三方的撥號軟件，所以還需打開PPP撥號功能，配置完之后，編譯內(nèi)核。燒錄系統(tǒng)后，重啟進入/dev目錄，若出現(xiàn)USBtty0~USBtty3這四個設(shè)備文件，表明3G模塊的驅(qū)動已被正確加載。具體如下：

　　圖5 3G模塊驅(qū)動加載

　　在程序初始化時，利用編寫好的撥號腳本綁定PPP0網(wǎng)卡，這樣程序就可以像操作本地網(wǎng)卡一樣操作3G模塊，使用socket機制進行消息的傳送。具體的撥號腳本如下：

　　If ['ifconfig|grep ppp0|awk ‘(print($1))'']

　　Then

　　echo “the ppp0 has existed!”

　　else

　　pppd call evdo &

　　until['ifconfig|grep ppp0|awk ’(print($1))‘']

　　do

　　sleep 1

　　done

　　route del default

　　route add default dev ppp0

　　fi

　　在執(zhí)行ifconfig命令后，系統(tǒng)會列出了所有的網(wǎng)卡，一般情況下只有eth0和lo兩個網(wǎng)卡：eth0是常用的RJ45接口的網(wǎng)口，插上普通網(wǎng)線即可上網(wǎng);lo是本地網(wǎng)卡;當使用pppd撥號成功之后就會出現(xiàn)ppp0無線網(wǎng)卡，此時3G模塊已經(jīng)連接上互聯(lián)網(wǎng)。然而在操作系統(tǒng)啟動的時候，一般默認網(wǎng)卡為eth0,故在撥號成功之后，必須修改默認的路由路徑，這樣如果在應(yīng)用程序使用socket編程之時沒有綁定指定網(wǎng)卡，所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都會從ppp0網(wǎng)卡傳輸。綁定完ppp0網(wǎng)卡就可以使用linux socket機制進行與后臺服務(wù)器的通信，本方案中采用的UDP方式和后臺服務(wù)器進行通信，UDP協(xié)議的通信不需要像TCP一樣事先建立鏈接，只需要綁定ip地址和端口號即可，但是本方案中為了以后的可擴展性，設(shè)計了socket_connect和socket_send函數(shù)，不論是TCP還是UDP，只要調(diào)用這兩個函數(shù)即可，采用同樣的接口，這樣便于使用和擴展功能。具體如下：

　　int socket_connect(const int sock_fd, const char *ip_str, const unsigned int port_ui)

　　其中sock_fd是套接字，它是通過函數(shù)int socket_create(const int af, const int type, const int protocol, const int stime, const int rtime, const char *ifname)創(chuàng)建得到。ip_str是ip地址，port_ui是端口號。

　　int socket_send(const int sock_fd，const char * data, const int len, const int flags)

　　其中data是要發(fā)送的數(shù)據(jù)，len表示長度，flags一般取0即可。

　　接收函數(shù)：

　　int socket_recv_timeout(int sock_fd， char *buff，unsigned int len， unsigned int timeout/*ms*/)

　　具體功能用來接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直到長度等于len,或者超時(timeout)后返回。

　　2.2.3服務(wù)器與3G模塊通信協(xié)議

　　主控芯片AT91SAM9260收到BDM100模塊發(fā)來的消息后，會將消息進行重組，通過3G模塊傳送到后臺進行解析。因為系統(tǒng)的定位終端具有實時性，對于年月日信息的需求不是很強調(diào)，所以在初始化北斗時接收了GLL信息，它只含有時分秒的信息，本方案中采用的消息通信協(xié)議規(guī)定如下：

　　表4 自定義通信協(xié)議

　　其中起始位和校驗位均用unsigned short表示，校驗采用每兩個字節(jié)異或操作，編譯時，強迫兩個字節(jié)對齊編譯。

　　3G模塊采用這種格式將消息傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器進行處理，這樣有利于保持信息的穩(wěn)定和簡潔性。

　　3 2G方案設(shè)計與實現(xiàn)

　　2G方案設(shè)計的監(jiān)護終端采用基于cortex-M3為內(nèi)核的LPC1766作為主控芯片，2G模塊采用支持GSM網(wǎng)絡(luò)的GTM900芯片[4]。該方案采用的2G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟穩(wěn)定，速度也能滿足信息傳輸要求，配合健壯的軟件設(shè)計，使得其在具體的應(yīng)用中取得良好的效果。

　　3.1 硬件設(shè)計

　　該方案具體的硬件連接如下：

　　圖6 2G方案框圖

　　從圖中可以看出BDM100芯片和GTM900芯片分別通過串口1和串口0與主控芯片LPC1766進行連接，其中GTM900與LPC1766的連接只需要將TXD引腳連接到RXD0，RXD連接到TXD0,然后將兩個芯片的GND各自接地即可。而對應(yīng)BDM100和LPC1766的連接則直接根據(jù)圖2所示即可。[!--empirenews.page--]

　　3.2 軟件設(shè)計

　　在2G方案的軟件設(shè)計中，由于不采用操作系統(tǒng)，直接根據(jù)LPC1766和其他兩個芯片的說明手冊進行裸版程序的設(shè)計。首先是要對BDM100芯片和GTM900芯片進行初始化操作，此處GTM900芯片的初始化操作要在BDM100芯片之前，因為BDM100初始化之后就直接輸出位置信息GLL，而在本方案的程序設(shè)計中，只設(shè)置了一個接收串口數(shù)據(jù)的全局數(shù)組變量RecUartBuf[100]，如果先初始化BDM100芯片，則GLL信息會和GTM900初始化信息沖突。另外，在UART接收程序中，因為每次接收的數(shù)據(jù)長度不固定，所以不能設(shè)置為多字節(jié)中斷，在本方案中將程序設(shè)置為一字節(jié)中斷，并設(shè)置定時器中斷，用來判定數(shù)據(jù)是否傳送完畢，在之前的BDM100芯片介紹中，將位置信息GLL的頻率設(shè)置為1次/秒，則在本方案中將定時器中斷設(shè)置為0.5s，這樣就可以有足夠的時間接收并傳遞信息，在定時器中斷函數(shù)中將信息標志變量RecUartFlag設(shè)置為1，表示有數(shù)據(jù)進入，此時利用Uart0Sent函數(shù)將傳遞過來的GLL信息通過2G模塊發(fā)送到后臺服務(wù)器。

　　在本方案中，因為保證程序健壯性的需要，GLL位置定位消息傳送到后臺服務(wù)器的格式是不經(jīng)過重組的原始信息，對于信息的重組和解析任務(wù)則交予后臺服務(wù)器程序處理。

　　4 系統(tǒng)測試

　　監(jiān)護終端的數(shù)據(jù)通過3G或者2G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器之后，服務(wù)器根據(jù)通訊協(xié)議對其解析。得到數(shù)據(jù)后，服務(wù)器進行如下操作：

　　1) 校驗數(shù)據(jù)是否有錯，有錯則丟棄，并要求終端重新獲取一次信息并立即傳輸。

　　2) 根據(jù)數(shù)據(jù)中的值重組還原，得到經(jīng)緯度及當前的時間(格式為：XX時XX分XX秒)。

　　3) 根據(jù)經(jīng)緯度信息，調(diào)用地圖服務(wù)，獲取具體位置。

　　4.1 3G方案測試

　　通過串口軟件獲得的北斗定位信息如下：

　　圖7 北斗信息串口軟件顯示

　　其中顯示北緯32度02438675分，東經(jīng)118度48951303分，后面的090528等表示UTC時間。為了統(tǒng)一格式，將MM度XX分格式轉(zhuǎn)化為MM.NN分(1度等于60分)，故118度48951303分相當于118.81585505度，32度02438675分相當于32.04064458度。而其中UTC時間相當于0時區(qū)的時間，對應(yīng)北京時間為東八區(qū)的時間，所以要加上8小時才是標準的北京時間，查找BDM100軟件接口協(xié)議可得GLL消息顯示的UTC時間格式為XX時XX分XX秒，例如090528，對應(yīng)的UTC時間為9時5分28秒，對應(yīng)的北京時間為17時5分28秒。后臺服務(wù)器程序顯示消息：

　　圖8 北斗信息3G服務(wù)器端顯示

　　從圖中可以看到與串口通信軟件顯示消息一致，驗證了系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。

　　4.2 2G方案測試

　　同樣再次利用串口通訊軟件獲取GLL消息：

　　圖9北斗信息串口軟件顯示

　　后臺服務(wù)器程序顯示消息：

　　圖10 北斗信息2G服務(wù)器端顯示

　　從圖中可以看出與串口通信軟件顯示消息一致，驗證了2G方案的可行性。

　　為了驗證定位的準確性，打開地球在線(http://www.earthol.com/)，輸入當前的經(jīng)緯度信息，查看定位情況。

　　圖11 北斗信息定位測試

　　如圖所示，北斗定位的位置為A12號樓，而筆者所在的位置為圖中藍色標記所在的A10號樓，誤差在30米左右，由于免費版本的goole地圖其官方宣稱誤差在50米以內(nèi)，所以本次試驗的誤差在合理范圍內(nèi)，表明基于北斗BDM100模塊的定位終端運行成功。

　　結(jié) 語

　　北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為我國自主研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在滿足軍事用途的同時，也在不斷的加緊民用化進程，本文設(shè)計了兩種方案解決家庭監(jiān)護中位置定位的問題，其中3G方案不僅可以傳輸位置信息，也為以后傳輸各種身體信息，環(huán)境信息提供了接口和可擴展的空間。2G方案的優(yōu)點在于其性能穩(wěn)定，成本較低，對應(yīng)具有單一需求的用戶會是一個很好的選擇。這兩種方案設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，對其它工程設(shè)計具有一定參考價值。