基于GSM、GPS模塊的手持無線線路巡護(hù)終端的設(shè)計

本文中的硬件設(shè)備采用嵌入式開發(fā)設(shè)計，MCU采用MSP430F149芯片進(jìn)行系統(tǒng)控制，并預(yù)設(shè)JTAG接口這種簡單方便的程序下載方式，以便對終端設(shè)備功能進(jìn)行完善和修改。GPS模塊采用德國FALCOM公司的JP13模塊，定位速度快、性能穩(wěn)定、信息準(zhǔn)確、功耗低。GSM短信息模塊采用明基公司的BENQ-M32模塊，具有體積小，信號穩(wěn)定、支持900/1,800MHz雙頻、接通率高、信號質(zhì)量好等特點(diǎn)。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作使用和維護(hù)方便，并且集成度高、能耗低、體積小、便于攜帶。

功能實(shí)現(xiàn)

1. GPS定位信息采集通信的實(shí)現(xiàn)

使用單片機(jī)的串口與GPS模塊的通信口相連，系統(tǒng)上電后，對MCU進(jìn)行初始化，開始串口工作、設(shè)置波特率，使MCU與GPS模塊建立通信連接，當(dāng)GPS模塊接收到定位信息數(shù)據(jù)后，以全報文的方式發(fā)送給MCU。數(shù)據(jù)是實(shí)時的，因此MCU可根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的時間和定位情況。

2. GSM短信息收發(fā)通信的實(shí)現(xiàn)

使用AT指令集對GSM模塊進(jìn)行初始化，實(shí)時接收控制中心發(fā)送的設(shè)置信息和查詢信息，通過設(shè)定的通信協(xié)議來修改終端設(shè)備的各項保密設(shè)置，并查詢終端的當(dāng)前位置和當(dāng)前狀態(tài)。

3. 手持設(shè)備的操作和顯示

本文設(shè)計的手持終端采用簡潔、易懂、便于使用的按鍵和顯示器?？梢酝ㄟ^簡單的按鍵操作和易懂的顯示方法對手持終端進(jìn)行操作，查詢當(dāng)前的位置信息、已發(fā)送和未發(fā)送信息，還可以隨時發(fā)送當(dāng)前的位置信息給控制中心。

4. 存儲功能的實(shí)現(xiàn)

可以存儲200條已讀和未讀短信息，IIC總線控制，擦出重寫次數(shù)為十萬次。

硬件電路實(shí)現(xiàn)

如圖1中的電路設(shè)計框圖所示，手持終端設(shè)備主要由MSP430F149 FLASH型單片機(jī)、GPS模塊(JP13)、短信收發(fā)控制模塊(BENQ-M32)、FLASH存儲器、LCD顯示器及天線等部分組成。

1. MSP430F149單片機(jī)及其主要功能

本系統(tǒng)采用的MSP430F149單片機(jī)是德州儀器公司(TI)的MSP430F14x系列，這是一款超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。它采用“馮-紐曼”結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內(nèi)，兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式。它具有豐富的片內(nèi)外圍，是F14x系列中功能最強(qiáng)大的一款，非常適合于構(gòu)成一個全功能的便攜式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該器件在本系統(tǒng)中的作用主要包括：管理控制整機(jī)工作，對各模塊進(jìn)行上電自檢，處理鍵盤輸入，液晶板的字符顯示，指示燈的狀態(tài)顯示，按鍵提示音的生成，控制GSM、GPS模塊的協(xié)調(diào)工作，根據(jù)操作完成定位信息的編碼發(fā)送等等。上電啟動過程如圖2所示。

上電開機(jī)時首先對BENQ-M32模塊、LCD顯示器、JP13模塊進(jìn)行初始化。預(yù)置英文字符及漢字字符信息，發(fā)送數(shù)據(jù)給LCD顯示器，顯示開機(jī)信息。發(fā)送指令給BENQ-M32模塊檢測SIM卡，檢測GSM信號強(qiáng)度。由JP13獲取GPS定位信息，并將信息格式輸出至LCD上顯示。當(dāng)上述檢測完成后，終端自動發(fā)送一個開機(jī)信息給信息中心，告知中心該終端已登錄系統(tǒng)。

當(dāng)檢測到無SIM卡時，顯示錯誤信息后程序中斷，終端不再工作；若SIM卡檢測正常，則繼續(xù)執(zhí)行。

終端工作方式有自動定時上報位置信息和手動上報兩種工作方式，當(dāng)系統(tǒng)中心以GSM短信的形式發(fā)送給終端“自動發(fā)信”指令時，BENQ-M32在接收到信息后，將該信息傳送至MSP430F149單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后獲得自動發(fā)送間隔時間(發(fā)送間隔時間取值范圍為0~255分鐘，“0”表示終端手動發(fā)送)，此時終端進(jìn)入自動發(fā)送狀態(tài)。MSP430F149單片機(jī)將終端號、信息內(nèi)容、經(jīng)緯度坐標(biāo)和發(fā)送時間格式轉(zhuǎn)化成字符串，再將字符串傳送至BENQ-M32，以短信的形式發(fā)送給系統(tǒng)中心。

2. GPS定位信息的采集及處理

GPS模塊采用德國FALCOM公司GPS模組JP13，它采用了美國SiRF公司Star III芯片組，具有如下優(yōu)點(diǎn)：定位精度高：定位誤差小于10m；定位速度快：冷啟動時間小于30s；超高靈敏度：靈敏度達(dá)-159dbm；功耗低：工作電壓+3.3V DC，功耗105mw。JP13獲得定位數(shù)據(jù)后通過串口輸出至單片機(jī)，通信波特率為115200，輸出數(shù)據(jù)格式是NMEA-0183。

GPS坐標(biāo)的提取過程：接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)就會源源不斷地將接收并計算出的GPS導(dǎo)航定位信息傳送至單片機(jī)UART串行接口。在未經(jīng)過分類提取之前，這些信息是無法加以利用的。與其它通信協(xié)議類似，對GPS進(jìn)行信息提取必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，然后才能根據(jù)結(jié)構(gòu)完成對各個定位信息的提取。發(fā)送至單片機(jī)的數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。這些幀頭標(biāo)識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各種幀均以回車符和換行符作為幀尾標(biāo)識一幀的結(jié)束。本文所關(guān)心的定位數(shù)據(jù)是經(jīng)緯度、速度、時間等信息，這些信息均可以從“$GPRMC”幀中獲得。

其它幾種幀格式則沒有使用，雖然接收機(jī)在不斷向單片機(jī)發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀，但在處理時可以先通過對幀頭的判斷而僅對“$GPRMC”幀進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，從中提取出所關(guān)心的時間(日期和時間)和地理坐標(biāo)(經(jīng)、緯度)信息進(jìn)行處理。

從GPS接收機(jī)中獲得的時間信息為格林尼治時間，因此需要在獲取時間上加8小時才為中國標(biāo)準(zhǔn)時間。而且GPS使用的WGS-84坐標(biāo)系也與中國采用的坐標(biāo)系不同，在使用過程中也需要對此進(jìn)行變換。

3. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全中國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，用戶無需另外組網(wǎng)，因而在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費(fèi)用、設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用。同時，GSM網(wǎng)絡(luò)對用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大、維護(hù)費(fèi)用高，且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和用戶數(shù)量受限的缺陷。與傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)相比在網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢，再加上GSM的短信息服務(wù)(Short Message Service, SMS)本身具備無線雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個強(qiáng)大的支持平臺。因此，我們在信息傳輸中采用了GSM的SMS平臺。

在設(shè)計實(shí)現(xiàn)中我們選用的短信收發(fā)模塊是臺灣明基公司的BENQ-M32模塊，采用內(nèi)置天線，支持900/1,800MHz雙頻，其主要功能是完成短信息的收、發(fā)，進(jìn)行SIM卡檢測，將收到的信息傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，并將單片機(jī)傳送來的信息發(fā)送出去。單片機(jī)通過UART串行接口直接向GSM模塊發(fā)出AT命令，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)基于GSM的短信息的收發(fā)、查找和管理。

4. 對GSM無信號情況的處理

由于通信線路中可能存在手機(jī)信號無法覆蓋的情況，系統(tǒng)設(shè)計了信息自動存儲功能。當(dāng)無GSM信號時，終端會自動將待發(fā)送的信息存儲在AT24C64存儲器中，等待有GSM信號時再自動發(fā)送。

5. 各信號指示燈的控制和含義

在正常狀態(tài)下3個指示燈的作用分別是：LED1為GPS狀態(tài)指示，當(dāng)獲取GPS信號時此信號燈閃爍，正常工作時不亮，此信號燈的控制由MSP430F149單片機(jī)完成，P54輸出脈沖，使得LED閃爍；LED2燈為GSM信號指示，當(dāng)無信號時無顯示，信號正常時閃爍，此信號的控制由短信模塊通過P46腳輸出來完成；LED3為充電指示燈，充電過程中此燈亮，充電完成后燈自動熄滅。

6.硬件原理圖

該手持終端設(shè)備(圖3)由電池供電，電池輸出電壓為4.2V，系統(tǒng)配備了充電器。GPS模塊和MCU的工作電壓是3.3V，由S818將4.2V電壓降到3.3V的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。

本文小結(jié)

本文設(shè)計的手持終端由GPS接收模塊、GSM射頻收/發(fā)模塊、單片機(jī)控制單元三大部分組成。監(jiān)控中心由電子地圖系統(tǒng)、資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息接收單元及數(shù)據(jù)處理部分組成。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)有的中國移動或中國聯(lián)通的GSM短信數(shù)據(jù)平臺SMS實(shí)現(xiàn)信息傳輸。