随着现代化科技的发展,人们对移动目标监控的要求越来越高。例如,地面目标跟踪及报警系统可协助家长实现对孩子的监控,孩子若遭遇走失或劫持事件,监控中心通过分析手持终端发送的GPS数据确定孩子所在位置,以采取相关安全措施。
1 引言
此外,地面目标跟踪及报警系统在城市出租车调度、物流运输监控等领域都有着广泛的应用前景。
地面目标跟踪及报警系统是伴随着GPS技术和GSM网络的成熟而发展起来的。20世纪90 年代初,GPS技术逐渐兴起,基于GPS的移动跟踪、监控系统开始走向市场。近年来,GSM网络发展迅速,其数据传输能力明显加强,并且,GPS技术更加成熟。2000年5月1日,美国政府宣布取消GPS普通定位的选择干扰(SA)政策,这样,一般GPS接收机定位精度可以达到25 m。综合上述,采用GPS和GSM网络,以低功耗ARM微控制器展开设计的地面目标跟踪及报警系统势必得到迅猛发展,市场潜力巨大。
2 GPS和GSM简介
全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美
GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,广泛地应用于大地测量、地质勘探和车辆导航等方面,近年来随着GPS模块成本的不断下降和地面通信系统的不断发展,GSM和GPS技术相结合的系统正如火如荼地向前发展。
3 系统的组成结构
地面目标跟踪及报警系统由手持终端和监控中心两大部分组成,如图1所示。其中手持终端以ARM微控制器为核心,通过UART0和UART1分别连接GPS模块和GSM模块(发送);监控中心由PC机和GSM模块(接收)构成,PC机中安装的电子地图软件用于解析GSM模块传来的定位信息,并精确显示出被跟踪目标的具体地理位置。
4 系统的硬件设计
4.1 手持终端部分
手持终端由ARM微控制器、GPS模块、GSM模块、按键、LCD构成。其结构如图2所示。
手持终端以LPC2210为主控制器,LPC2210是基于实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器,并带有256 KB的嵌入高速Flash存储器;128位宽度的存储器接口和独特的加速结构,使32位代码能够在最大时钟速率下运行[1]。由于内置了宽范围的串行通信接口,从而给硬件设计和软件移植都带来了很大的便利。GPS模块采用日本光电公司的GSU-36,体积小,功耗低,抗电磁干扰,可以同时跟踪12颗卫星。GSM模块采用BENQ公司的M22。
LPC2210通过串行口UART0发送GPS采样周期的设置、GPS数据类型选择和通信波特率等控制命令和接收GPS定位信息。通过串行口UART1发送AT指令实现控制GSM的工作和传送SMS。LCD显示当前的经纬度和时间等信息,按键用来控制是否发送信号。
4.2 监控中心部分
监控中心由GSM模块与PC机组成。采用OziExplorer作为监控中心的电子地图软件,在PC机上安装完OZI,设置好相关的端口参数,即可实现将GSM模块传送来的定位信息实时显示在电子地图上。
5 系统的软件设计
手持终端的相关程序用C语言编写,程序流程如图3所示。软件设计主要包括系统初始化、GPS数据处理、GSM数据处理3大部分。
5.1 系统初始化
系统初始化主要是对串行口的初始化,包括传输帧格式、波特率的设置。根据GPS模块、GSM模块的硬件特性,设置UART0波特率为4 800 b/s、UART1波特率为9 600 b/s,均无奇偶校验位,1位5.2 GPS数据处理 GPS模块接收GPS卫星定位信号,判断其为GPRMC格式,经解析留下经纬度、UTC时间等主要信息以待下一步处理,否则继续接收GPS卫星定位信号。
GPS模块输出的GPS定位信息服从NAME-0183通信标准。NAME-0183通信标准的输出数据采用的是ASCII码,其内容包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。语句有6种,包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VGT。本系统用到的是RMC纪录语句,它包含了定位系统需要的所有信息。格式举例:
5.3 GSM数据处理
确认有按键按下时(启动键盘防抖动程序),提取存储的数据,转换成相应的Unicode码,即符合PDU格式。然后将最终有效的定位信息发送至监控中心。
GSM的短信业务SMS利用信令信道传输,它不用拨号建立连接,把要发送的信息加上目的地址和其他控制信息发到短信服务中心,经短信服务中心完成存储再转发送给目标机,这种特性适合数据远程传送。每条短信息容量为140字符。GSM终端通过串行口控制SMS有三种接入协议,分别是BlockMode、基于AT命令的Text Mode和基于AT命令的PDU Mode。其中PDU Mode应用最为广泛。
本系统采用的是PDU Mode,采用AT命令完成短信息的读取和发送。不同厂家生产的GSM模块AT命令集会稍有不同,本系统采用的是BENQ公司的M22模块,具体可以参考BENQ公司提供的数据手册和《AT命令用户手册》等资料。比如发送一条消息可以采用AT+CMGS命令,格式如下:
AT+CMGS=<短信长度>+<回车>+<目的手机号码>+<回车>+<短信内容>+
系统上电后,ARM微控制器开始执行主程序。在主程序中,首先进行系统初始化,初始化的内容包括GPS模块和GSM模块的基本参数设置,然后进入主程序的数据处理部分。
6 系统的实现
6.1 实现步骤与结果
启动调试软件ADS,通过实验板上的JATG接口将编好的源代码编译、烧写进ARM微控制器。将监控中心GSM模块上的SIM卡插放到手机中,让手机充当"临时监控中心"。将手持终端脱机上电运行,4、5秒后按下实验板上的中断触发按钮,略等片刻,手机便收到一条来自手持终端的信息,经纬度为3907.9579N,11713.8762E,而实际精确经纬度为3907.8933N,11713.8668E,略存在误差。
取下手机的SIM卡,放至监控中心的GSM模块上。开启PC机上的电子地图软件OZI,设置COM1口的各参数:波特率4 800 b/s、停止位1、无奇偶校验,以使其与GSM模块匹配。再一次上电运行,点击OZI上的"导航"按钮。定位点正好停留在了天津市河东区天津工业大学上,放大地图,定位点落在了实验楼所在位置,地图窗口下方也实时显示出了定位点的经纬度数值和当前时间(如图4所示)。
6.2 误差分析
系统调试初步通过,还得测试其稳定性、分析误差所在。从实验结果得出,定位精度的误差基本上控制在25 m以
7 结束语
基于ARM微控制器的嵌入式系统能够完成所需的各种协议,能够满足系统的软硬件需求。地面目标跟踪及报警系统整合了GPS、GSM技术,利用GSM的SMS功能实现手持终端和监控中心之间的数据传送,以实施对目标的实时定位跟踪。在开发测试中,可明显感觉到与自建无线数据网相比,其可操作性及实时性有显著提高,而且成本较低,结构简单,可靠性较高。
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