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1 引言 隨著現代化科技的發展，人們對移動目標監控的要求越來越高。例如，地面目標跟蹤及報警系統可協助家長實現對孩子的監控，孩子若遭遇走失或劫持事件，監控中心通過分析手持終端發送的GPS數據確定孩子所在位置，以采取相關安全措施。此外，地面目標跟蹤及報警系統在城市 出租車調度、物流運輸監控等領域都有著廣泛的應用前景。 地面目標跟蹤及報警系統是伴隨著GPS技術和GSM網絡的成熟而發展起來的。20世紀90年代初，GPS技術逐漸興起，基于GPS的移動跟蹤、 監控系統開始走向市場。近年來，GSM網絡發展迅速，其數據傳輸能力明顯加強，并且，GPS技術更加成熟。2000年5月1日，美國政府宣布取消GPS普通定位的選擇干擾(SA)政策，這樣，一般GPS接收機定位精度可以達到25 m。綜合上述，采用GPS和GSM網絡，以低功耗ARM微控制器展開設計的地面目標跟蹤及報警系統勢必得到迅猛發展，市場潛力巨大。 2 GPS和GSM簡介 全球定位系統(Global Positioning System，GPS)是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具 有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。其基本原理是把高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方的方法，確定待測點的位置。 GSM系統是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、應用最廣泛的一種系 統，主要提供話音、短消息、數據等多種業務，本系統就是利用其短消息服務傳輸數據。 GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛地應用于大地測量、地質勘探和車輛導航等方面，近年來隨著GPS模塊成本的不斷 下降和地面通信系統的不斷發展，GSM和GPS技術相結合的系統正如火如荼地向前發展。 3 系統的組成結構 地面目標跟蹤及報警系統由手持終端和監控中心兩大部分組成，如圖1所示。其中手持終端以ARM微控制器為核心，通過UART0和UART1分 別連接GPS模塊和GSM模塊(發送)；監控中心由PC機和GSM模塊(接收)構成，PC機中安裝的電子地圖軟件用于解析GSM模塊傳來的定位信 息，并精確顯示出被跟蹤目標的具體地理位置。 4 系統的硬件設計 4.1 手持終端部分 手持終端由ARM微控制器、GPS模塊、GSM模塊、按鍵、LCD構成。其結構如圖2所示。 手持終端以LPC2210為主控制器，LPC2210是基于實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并帶有256 KB的嵌入高速 Flash存儲器；128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行[1]。由于內置了寬范圍的串行通信接口， 從而給硬件設計和軟件移植都帶來了很大的便利。GPS模塊采用日本光電公司的GSU-36，體積小，功耗低，抗電磁干擾，可以同時跟蹤12顆 衛星。GSM模塊采用BENQ公司的M22。 LPC2210通過串行口UART0發送GPS采樣周期的設置、GPS數據類型選擇和通信波特率等控制命令和接收GPS定位信息。通過串行口 UART1發送AT指令實現控制GSM的工作和傳送SMS。LCD顯示當前的經緯度和時間等信息，按鍵用來控制是否發送信號。 4.2 監控中心部分 監控中心由GSM模塊與PC機組成。采用OziExplorer作為監控中心的電子地圖軟件，在PC機上安裝完OZI，設置好相關的端口參數，即可實 現將GSM模塊傳送來的定位信息實時顯示在電子地圖上。 5 系統的軟件設計 手持終端的相關程序用C語言編寫，程序流程如圖3所示。軟件設計主要包括系統初始化、GPS數據處理、GSM數據處理3大部分。 5.1 系統初始化 系統初始化主要是對串行口的初始化，包括傳輸幀格式、波特率的設置。根據GPS模塊、GSM模塊的硬件特性，設置UART0波特率為4 800 b／s、UART1波特率為9 600 b／s，均無奇偶校驗位，1位5.2 GPS數據處理 GPS模塊接收GPS衛星定位信號，判斷其為GPRMC格式，經 解析留下經緯度、UTC時間等主要信息以待下一步處理，否則繼續接收GPS衛星定位信號。 GPS模塊輸出的GPS定位信息服從NAME-0183通信標準。NAME-0183通信標準的輸出數據采用的是ASCII碼，其內容包含了緯度、經度、 高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息。語句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VGT。本系統用到的是RMC紀錄 語句，它包含了定位系統需要的所有信息。格式舉例： 5.3 GSM數據處理 確認有按鍵按下時(啟動鍵盤防抖動程序)，提取存儲的數據，轉換成相應的Unicode碼，即符合PDU格式。然后將最終有 效的定位信息發送至監控中心。 GSM的短信業務SMS利用信令信道傳輸，它不用撥號建立連接，把要發送的信息加上目的地址和其他控制信息發到短信服務中心，經短信服 務中心完成存儲再轉發送給目標機，這種特性適合數據遠程傳送。每條短信息容量為140字符。GSM終端通過串行口控制SMS有三種接入協 議，分別是BlockMode、基于AT命令的Text Mode和基于AT命令的PDU Mode。其中PDU Mode應用最為廣泛。 本系統采用的是PDU Mode，采用AT命令完成短信息的讀取和發送。不同廠家生產的GSM模塊AT命令集會稍有不同，本系統采用的是BENQ 公司的M22模塊，具體可以參考BENQ公司提供的數據手冊和《AT命令用戶手冊》等資料。比如發送一條消息可以采用AT+CMGS命令，格式 如下： AT+CMGS=<短信長度>+<回車>+<目的手機號碼>+<回車>+<短信內容>+ 系統上電后，ARM微控制器開始執行主程序。在主程序中，首先進行系統初始化，初始化的內容包括GPS模塊和GSM模塊的基本參數設置， 然后進入主程序的數據處理部分。 6 系統的實現 6.1 實現步驟與結果 啟動調試軟件ADS，通過實驗板上的JATG接口將編好的源代碼編譯、燒寫進ARM微控制器。將監控中心GSM模塊上的SIM卡插放到手機中， 讓手機充當"臨時監控中心"。將手持終端脫機上電運行，4、5秒后按下實驗板上的中斷觸發按鈕，略等片刻，手機便收到一條來自手持終端的 信息，經緯度為3907.9579N，11713.8762E，而實際精確經緯度為3907.8933N，11713.8668E,略存在誤差。 取下手機的SIM卡，放至監控中心的GSM模塊上。開啟PC機上的電子地圖軟件OZI，設置COM1口的各參數：波特率4 800 b／s、停止位1、 無奇偶校驗，以使其與GSM模塊匹配。再一次上電運行，點擊OZI上的"導航"按鈕。定位點正好停留在了天津市河東區天津工業大學上，放大 地圖，定位點落在了實驗樓所在位置，地圖窗口下方也實時顯示出了定位點的經緯度數值和當前時間(如圖4所示)。 6.2 誤差分析 系統調試初步通過，還得測試其穩定性、分析誤差所在。從實驗結果得出，定位精度的誤差基本上控制在25 m以內，誤差原因 主要來自兩方面：首先是GPS模塊硬件本身的性能誤差。GSU-36要求工作電壓為直流3.1 V～3.6 V(紋波≤50 mV)。且模塊使用有源天線， 若天線受附近電磁場干擾或GPS衛星所處位置不很理想時，定位精度會有不同程度的降低。另一方面，電子地圖的分辨率也大大決定了定位點 的精確性。OZI是一個支持自主測繪、編輯電子地圖的軟件。為達到理想的定位精度，可自行測繪一份更精細的電子地圖。 7 結束語 基于ARM微控制器的嵌入式系統能夠完成所需的各種協議，能夠滿足系統的軟硬件需求。地面目標跟蹤及報警系統整合了GPS、GSM技術， 利用GSM的SMS功能實現手持終端和監控中心之間的數據傳送，以實施對目標的實時定位跟蹤。在開發測試中，可明顯感覺到與自建無線數 據網相比，其可操作性及實時性有顯著提高，而且成本較低，結構簡單，可靠性較高。 |
