基于单片机的采集与处理北斗定位信息系统*

王 妍， 史旭涛， 宫铭举，曹丽娜

(天津理工大学 计算机与通信工程学院，天津 300384)

基于单片机的采集与处理北斗定位信息系统*

王 妍， 史旭涛， 宫铭举，曹丽娜

(天津理工大学 计算机与通信工程学院，天津 300384)

针对当代社会空巢老人的增多，突发意外时不能及时呼救的问题，设计了一款基于北斗定位系统的集应急报警与信息交互为一体的多功能报警器。该报警器采用双串口单片机为主处理器，以北斗定位模块为核心，结合GSM无线通信模块、液晶显示模块及蜂鸣器，实现快速报警并发送所在位置信息的功能。简述了硬件与软件的实施方案及定位信息采集原理，通过多方面对比北斗与GPS定位模块的速度与检测卫星数来比较二者性能，实验结果表明，该系统具有定位快速、可靠性与稳定性较高等特点。

北斗定位系统；信息采集；GSM通信；单片机

0 引言

随着社会的逐渐老龄化,当老人们外出发生意外时，周围人因不了解情况无法采取正确措施，家人因不知道事发地点无法及时营救，这已成为严重的社会问题，人们对老人呼救报警器的需求越来越高。现阶段报警器多为GSM呼救器[1]，对定位应用较少。而作为空间基础设施的卫星定位系统，可应用于老年人遇险定位。我国自主研发北斗导航定位卫星系统(BDS)[2]具有全天候快速定位、无定位盲区、高度可靠与稳定等优越性，对我国在经济、国防建设、综合国力的提高起到了促进与推动作用，北斗定位系统将成为中国导航与定位系统的趋势[3]。

本文设计一种以STC双串口单片机为主处理器，以北斗定位模块为核心,集液晶显示模块、蜂鸣器、GSM无线通信模块为一体的多功能报警器。当老人或弱势群体发生意外时，按下报警按键，蜂鸣器响起，引起周围群众的注意，液晶屏上显示重要信息，如过敏史、药品位置与家人信息等，提醒援救人员采取正确措施。北斗定位模块将定位信息传给单片机，并通过GSM无线通信模块将定位信息发送到家人手机中，使伤者得到及时营救。相较于传统通用的GPS定位系统，本设计采用北斗定位系统，具有更好的抗干扰能力、更快的定位速度。

1 系统总体设计

系统主要由双串口单片机、北斗定位UM220-ⅢN模块、GSM无线通信SIM900A模块、液晶屏显示模块LCD12864和蜂鸣器组成，系统框图如图1所示。利用双串口的STC12C5A60S2单片机，一路将北斗定位模块接收的定位报文数据传送至单片机，通过单片机芯片内部预先编写好的程序对定位信息进行择优采集并解析，将其经纬度坐标转换成高斯平面坐标，最后将需要的解析完毕的信息由GSM无线通信模块SIM900A发送到预定手机号码中，用户便可得到报警人具体的地址信息。液晶显示模块负责显示报警人的重要信息，蜂鸣器引起周围群众的注意，实施救援。

图1 多功能报警器总体系统框图

2 北斗定位信息格式与提取

北斗UN220-Ⅲ模块上电后，会每隔一定时间返回一定格式的数据帧，因北斗定位模块采用NMEA0183传输协议[4],所以其数据格式与全球定位系统(GPS)[5]基本相同，其数据格式为：“$——信息类型，x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x”。每帧的起始字符都是“$”，紧接着为信息类型，而后是定位参数，各信息间均以逗号分隔。一帧完整的信息格式如下所示：

$GNRMC,123400.000,A,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,181.631, 110415,,,*CS

以上数据帧表示的意义如下：GNRMC表示推荐最小定位；123 400.000表示当前时间为12时34分00秒；A表示有效定位；4 002.217 821表示纬度；N表示北纬；11 618.105 743表示经度；E表示东经；0.026表示速率；181.631表示航向，指的是偏离正北的角度；110415表示日期；*为语句结束标识符；CS表示从$开始到*之间所有ASCII码进行异或得到的16进制数。

系统设计中对数据信息进行采集与解析是通过STC12C5A60S2单片机内设程序完成的，首先通过识别帧数据的启示字符ASCII码“$”来进行数据帧信息提取，再通过信息类型的判断来选择接收，识别正确后，再通过检索“，”来确定当前北斗模块所接收的定位参数，从中提取需要的定位信息，本系统仅提取与解析GNRMC中经纬度和时间等信息。

3 系统的硬件设计

STC12C5A60S2单片机是一个具有超快速度、超强抗干扰能力、低功耗等优点的双串口单片机[6]，本系统中串口1接收北斗定位模块的数据信息，并对其进行解析；串口2将解析完毕的坐标通过GSM无线通信模块发送到预定手机号码中。通过按键控制单片机P3～P7的高低电平，使蜂鸣器、液晶显示模块及北斗定位模块开始工作。

3.1 北斗定位模块

北斗定位模块UM220-ⅢN硬件原理如图2所示。

图2 北斗定位模块UM220-ⅢN原理图

北斗定位采用的是UM220-ⅢN模块，该模块基于双系统多频率高性能低功耗GNSS SoC芯片，该芯片可同时支持高达6路不同频率的卫星信号，涵盖北斗等4大导航系统的12个频点，可对抗数十个单音干扰，支持毫米测量精度。前段芯片采用RFIC,该芯片集成了低噪放(LNA)、混频器(MIXER)、中频放大和滤波器、数模转换器(ADC)、自动增益控制以及本振频率合成器等。综合两芯片，实现了通过外部天线对北斗定位数据的准确接收。

UM220-ⅢN的串口(UART)1为主串口，支持数据传输，将串口1的TXD与单片机串口1的RXD连接，使接收的定位数据传送至单片机内。默认波特率为9 600 b/s。

3.2 GMS无线通信模块

GSM无线通信模块SIM900A硬件原理框图如图3所示。

图3 GSM无线通信模块SIM900A原理框图

GSM模块采用SIMCOM公司的SIM900A模块[7],其内部设有存储器、基带信号、射频，它的工作频段为EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class10/class8(可选)和GPRS编码格式CS-1、CS-2、CS-3及CS-4。其外围电路由天线(进行信号的网络注册)、串口UART(通过MAX3232芯片进行电平转化)、数据输入输出端(GPIO)、音频、电源接口、信号指示灯(LCD)和SIM卡槽组成，通过AT指令集进行短信的收发及语音通话等。

通过STC12C5A60S2双串口单片机进行供电，将单片机串口2的TXD与SIM900A模块的RXD相连，串口2的RXD与SIM900A的TXD相连，使GSM无线通信模块SIM900A与单片机相通，实现定位信息的发送。

4 系统的软件设计

本系统的软件部分主要完成北斗定位信息的采集、单片机对定位信息提取与解析、定位信息通过GSM发送并通过液晶显示模块显示。上电后，首先对各个模块进行初始化，通过按键控制使蜂鸣器响起，液晶显示屏开始显示，与此同时北斗定位模块通过天线接收定位帧信息，接收正确后进入数据处理流程，单片机通过识别起始符“$”对定位信息类型GNRMC进行判断，若正确则进行该信息帧的接收与解析，否则继续进行数据接收，解析完成后将得到的高斯平面坐标发送给GSM模块，最终由GSM模块转发给相关用户。软件编程采用C语言，语法灵活，运行速度快，实行效率高。程序流程图如图4所示。

图4 北斗定位数据采集与处理系统程序流程图

5 北斗与GPS模块接收定位数据实验研究

在对北斗定位系统与GPS定位系统接收定位数据对比的实验研究中，北斗与GPS定位系统分别采用UM220-ⅢN模块和UBLOX-GPS模块，在多功能报警器的样机上进行实验。实验时间为5月份(夏季)，地点在北纬N 3904′19.27″,东经11 707′31.84″附近,对时间的定时采用秒表计算,对卫星数的测量采用u-center软件进行检测。

5.1 不同时间段的实验研究

对于不同时间段的UM220-ⅢN模块与UBLOX-GPS模块的对比实验研究，一天中天气无明显差异(相对湿度平均为30%)，结果如表1所示。

表1 同一地点不同时间对比数据表格

注：T：定位时间N：检测卫星数

分析：测试结果显示，在无明显天气变化的一天中，午间与傍晚定位速度较快，夜间则较慢。总体来说，北斗UN220-ⅢN要比UBLOX-GPS定位时间快，检测卫星数多。反映出北斗的性能要优于GPS。

5.2 不同天气的实验研究

对于不同天气情况的UM220-ⅢN模块与UBLOX-GPS模块的对比实验研究中，晴天的相对湿度为26%，小雨天的相对湿度为55%，阴天的相对湿度为43%，大风天的相对湿度为32%。结果如表2所示。

表2 同一地点不同天气对比数据表格

注：T：定位时间N：检测卫星数

分析：测试结果显示，不同的天气情况对于信号与卫星的接收有较小的影响，对于UM220-ⅢN来说，定位时间与检测卫星数有微小的变化，但对于UBLOX-GPS来说，雨天对于定位时间有较大的影响，定位时间明显加长。总体对比来说，针对不同天气情况的外界因素，北斗模块具有较好的抗干扰能力。

5.3 不同位置的实验研究

对于不同位置的UM220-ⅢN模块与UBLOX-GPS模块的对比实验研究中，对不同位置的实验所选时间一致，天气情况(或相对湿度28%)基本相同。结果如表3所示。

表3 同一时间不同位置对比数据表格

注：T：定位时间N：检测卫星数

分析：根据测试结果显示，北斗定位UM220-ⅢN模块和GPS 定位UBLOX-GPS模块均在不同的地理位置对于信号接收速度与卫星检测数量上有较大影响，在室外空旷地带定位速度快，检测卫星数较多，而在楼道或室内则效果较差，随着位置地点的优化，定位时间随之减少，检测卫星数增加。

总结：不同时间、不同天气情况、不同地点都会对北斗与GPS的定位数据有一定的影响，而不同位置情况影响较为显著。但总体来说，北斗的UM220-ⅢN对比与UBLOX-GPS定位速度很快，检测卫星数较多，具有较好的调节作用。

6 结论

本文采用单片机控制技术，设计实现了基于北斗卫星定位信息采集与处理终端接收北斗定位信息，通过GSM无线通信模块SIM900A发送地址信息和液晶屏显示重要信息的多功能报警器，并对其硬件与软件进行了深入讨论。该报警器简单、便捷，为广大的普通老年百姓独自出行发生意外提供了报警系统，保障生命安全。本系统以我国自主研发的北斗定位系统的UM220-ⅢN为核心，通过实验研究中北斗定位UM220-ⅢN模块与GPS定位UBLOX-GPS模块在各个方面的对比，可以清晰地看出北斗定位系统具有更快的定位速度、更高的稳定性。

[1] 吴青，仵博.基于TC35i的GSM报警器的设计与实现[J].微计算机信息，2009，25(2)：306-307.

[2] 高婷，陈洪武，张帅.基于北斗定位的落水人员报警终端的设计[J].计算机工程与设计，2013，34(10)：3472-3473.

[3] 谢军.北斗导航卫星的技术发展与展望[J].中国航天，2013，26(3)：7-11.

[4] 强德俊，张哲，胡晨.NMEA0183协议解析[J].电子器件，2007，29(2)：698-701.

[5] 马兰，袁卫.基于GPS的数据采集处理系统设计[J].现代电子技术，2010(15)：172-173.

[6] 谢维成.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7] 黄鹤松，边洪宁，刘华东，等.基于GSM 的汽车防盗报警器设计[J].电子技术应用，2011，37(10)：111-116.

史旭涛(1993-)，学士，主要研究方向：通信信号处理。

宫铭举(1978-)，博士，副教授，主要研究方向：通信信号处理。

A collecting and disposing system for BDS based on single chip microcomputer

Wang Yan, Shi Xutao, Gong Mingju, Cao Lina

(School of Computer and Communication Engineering, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

In view of the increases of contemporary social empty-nesters and the problems of can not call for help in time when sudden accidents occur, this paper designs a model of the multi-function alarm for the integration of emergency alarm and information interaction based on BDS(Beidou Navigation Satellite System). Adopting the dual-serial-port single-chip as the main processor, taking BDS positioning module as the core, incorporating the GSM(Global System for Mobile Communication) wireless communication module, liquid crystal display module and the buzzer, this system achieves the function of alarming rapidly and sending the information of location. This paper expounds the implementing scheme of hardware and software, as well as the principle of positioning and collecting information. Through various contrasts DBS with the speed of the GPS module and the number of its detecting satellites to compare both performances, experimental results demonstrate this system enjoys the characteristics of rapid positioning, high reliability and stability, etc.

Beidou navigation satellite system; collecting information; GSM communication; single-chip microcomputer

国家级大学生创新创业训练计划项目(201410060011)

TP277

A

1674-7720(2016)02-0051-03

王妍，史旭涛，宫铭举. 基于单片机的采集与处理北斗定位信息系统[J] .微型机与应用，2016,35(3)：51-53,59.

2015-08-24)

王妍(1993-)，女，学士，主要研究方向：通信信号处理。