0 引 言
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國國防部于1973年提出,，歷時20年,，耗資200多億美元建立起來的，具有在海,、陸,、空進(jìn)行全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS能為用戶提供連續(xù)實(shí)時,、高精度的三維位置,、三維速度和時間基準(zhǔn)，是一種全球性,、全天候,、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。在目前世界上所有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中,，GPS是技術(shù)最成熟,，應(yīng)用最為廣泛的。
在遠(yuǎn)程目標(biāo)定位中,，需要將利用GPS技術(shù)獲得的遠(yuǎn)程目標(biāo)的定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心,。這可利用無線電臺進(jìn)行發(fā)送，但是該方法容易受到干擾而且還受到電臺通信距離的限制,。隨著移動通信的發(fā)展和GSM網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋,，GSM短消息業(yè)務(wù)也得到廣泛應(yīng)用，利用短消息服務(wù)來傳輸GPS定位數(shù)據(jù)是具有優(yōu)勢的,。GSM網(wǎng)絡(luò)容量大,，通信盲區(qū)少，利用該方法不僅可以克服傳輸距離的限制,，而且相當(dāng)方便,、可靠，費(fèi)用也十分低廉,。結(jié)合GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸方式的各種優(yōu)點(diǎn)和GPS這一成熟的定位技術(shù),，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種利用較少的資源就可實(shí)現(xiàn)的基于虛擬串口的GPS／GSM遠(yuǎn)程定位技術(shù)。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示,。在遠(yuǎn)程目標(biāo)端,，單片機(jī)通過GPS模塊獲取有用的信息，如經(jīng)緯度,、時間,、速度等信息，定時的以短消息的形式操控GSM短消息模塊發(fā)送定位數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心,。在監(jiān)控中心部分,，采用一個GSM模塊與PC機(jī)通信，編寫一個PC上的軟件實(shí)現(xiàn)收發(fā)短消息,、撥打電話,、保存短消息等功能,，并顯示出遠(yuǎn)程目標(biāo)定位信息。同時,，通過撥打遠(yuǎn)程目標(biāo)處TC35i模塊的電話可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一些擴(kuò)展功能,。
1．1 GPS模塊
GPS模塊采用的是Navman公司的Jupiter 21OEM板，它具有12通道,，體積小,、重量輕、功耗低,；定位迅速準(zhǔn)確,，抗干擾性能突出；操作簡便,、易于開發(fā),，可通過串口與PC機(jī)進(jìn)行通訊?？梢愿鶕?jù)通信的波特率選擇輸出NMEA-0183語句格式或者SIRF二進(jìn)制格式的定位信息,，默認(rèn)情況下輸出為NMEA-0183語句格式。該模塊還具有1 PPS秒脈沖輸出,，且精度優(yōu)于1μs,，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用對1 PPS秒脈沖計(jì)數(shù)的方法很好地實(shí)現(xiàn)了收發(fā)短信的定時,。
1．2 GSM短消息模塊
GSM短消息模塊采用的是SIEMENS公司的TC35i模塊,，這是一個支持中文短消息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM 900和GSM 1800雙頻段,，電源范圍為3．3～5．5 V,，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信息，可以利用AT命令通過接口電路對其進(jìn)行控制,。TC35i模塊支持以TEXT模式和PDU模式發(fā)送短消息,，使用TEXT模式發(fā)送短消息代碼簡單，容易實(shí)現(xiàn),，但不能收發(fā)中文短信,，而PDU格式實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，但可以收發(fā)中文短信,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處于簡單且能滿足系統(tǒng)需要考慮,，采用的TEXT 模式收發(fā)短消息。
1．3 主控單元
主控單元采用AT89S52單片機(jī)作為控制器,，單片機(jī)通過串口與GPS模塊以及GSM模塊進(jìn)行通信,。在此需要兩個串口，而AT89S52單片機(jī)本身只有一個串口,，常規(guī)的解決方法是采用具有雙串口的單片機(jī)或者ARM等控制器,，或者通過硬件來擴(kuò)展串口,。前者會使系統(tǒng)的硬件成本大大提高，而后者不僅會增加系統(tǒng)的成本,，還會增大系統(tǒng)硬件的體積,。本文采取的解決辦法是，AT89S52單片機(jī)本身的串口用于跟GPS模塊進(jìn)行通信,，而利用I／O口P1．4和P3.2編程實(shí)現(xiàn)一個虛擬串口與TC35i模塊進(jìn)行通信,。由于單片機(jī)內(nèi)部定時／計(jì)數(shù)器只能實(shí)現(xiàn)較小時間的定時，所以巧妙利用了單片機(jī)的T2定時／計(jì)數(shù)器(P1．0)對 Jupiter 21OEM板的1PPS秒脈沖輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)方便地實(shí)現(xiàn)5 min定時,，用于收發(fā)短信所需的定時,。該部分還擴(kuò)展了報(bào)警電路和控制開關(guān)通斷等功能電路，這是由監(jiān)控中心通過撥打遠(yuǎn)程目標(biāo)端的電話來控制的,。同時,，還保留了單片機(jī)的剩余I／O口用于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)充。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)部分的程序流程圖如圖2所示,。該部分程序采用C語言編程實(shí)現(xiàn),，主要包括定位信息的提取、虛擬串口通信以及短消息的發(fā)送三個部分,。
2．1．1 定位信息的提取
單片機(jī)采用4 800 b／s波特率與GPS模塊進(jìn)行異步串行通訊,，從GPS模塊輸出的是NMEA-0183語句格式的數(shù)據(jù)。該語句格式的數(shù)據(jù)以“$”開頭,，包括$GPRMC,，$GPGGA，$GPGSV,，$GPVTG,，$G-PGSA，$GPGLL等語句,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只從中提取出$GPRMC語句,，再進(jìn)一步提取出里面包含的經(jīng)緯度、速度,、時間等信息,，已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的需求。該部分的軟件流程圖如圖3所示,。
2．1．2 虛擬串口
單片機(jī)與GSM模塊之間通過虛擬串口進(jìn)行通信,，以解決AT89S52單片機(jī)固有串口不足的問題，通信波特率取為9 600 b／s,。虛擬串口就是利用單片機(jī)I／O編程實(shí)現(xiàn)一個串口的功能,，這樣就以較少的資源實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，克服了傳統(tǒng)的采用具有雙串口的控制器或者利用硬件進(jìn)行串口擴(kuò)展的方法其成本高,、體積大的缺點(diǎn),。程序中采用定時器工作于方式2進(jìn)行一個數(shù)據(jù)位傳輸時間的定時,，用于嚴(yán)格控制一個數(shù)據(jù)位的傳輸時間。單片機(jī)采用 11．059 2 MHz晶振，這樣定時器的初值為256-(1 000 000／9 600)／(12／11．059 2)=160，即十六進(jìn)制的0xA0,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用該方法進(jìn)行串口通訊,，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠,。采用虛擬串口發(fā)送,、接收一個字符的程序流程圖分別如圖 4，圖5所示,。
2．1．3 發(fā)送短消息
主要是由單片機(jī)根據(jù)發(fā)送短消息的特定步驟,，采用AT命令控制GSM模塊發(fā)送短消息，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容之一,。該部分程序設(shè)計(jì)中,，由于會涉及到單片機(jī)與GSM模塊的多次交互過程，而GSM模塊響應(yīng)較單片機(jī)來的慢,，特別是涉及到FLASH或SIM卡的操作及網(wǎng)絡(luò)的交互時,，必須要考慮到GSM模塊的響應(yīng)時間問題。系統(tǒng)中采用TEXT模式發(fā)送短消息,，步驟如下：
1．設(shè)置短信中心號碼：AT+CSCA=+8613500591500
2．設(shè)置短信發(fā)送模式：AT+CMGF=1
3．設(shè)置TEXT模式參數(shù)：AT+CSMP=17,，167,，0,，0
4．設(shè)置使用的字符集：AT+CSCS=GSM
5．輸入目標(biāo)號碼：AT+CMGS=13599071***
6．輸入短信內(nèi)容再輸人
2．2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)
至此，英文短信發(fā)送成功,，此過程中若模塊回復(fù)出現(xiàn)ERROR則短信發(fā)送不成功,。以上步驟1，3,，4經(jīng)設(shè)置后無需再設(shè)置,，步驟2在模塊斷電時需重設(shè)，步驟 5,，6在每次發(fā)送短消息時都要重復(fù)進(jìn)行,。在監(jiān)控中心的PC機(jī)上采用VB結(jié)合ACCESS數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)一個監(jiān)控軟件,，該軟件通過串口與GSM模塊進(jìn)行通信，獲取遠(yuǎn)程目標(biāo)的定位信息,，經(jīng)過進(jìn)一步處理后顯示出來,。由于電子地圖制作復(fù)雜、價格較貴,，所以本系統(tǒng)示意性的利用由Google Earth軟件上截圖出來的圖片作為電子地圖,，用于直觀地顯示出遠(yuǎn)程目標(biāo)的具體位置。ACCESS數(shù)據(jù)庫用于保存收發(fā)短消息的內(nèi)容,，該軟件還具有撥打電話等功能,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
利用該軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果如圖6所示。圖中左半部分是軟件的實(shí)現(xiàn)界面,，右半部分是以GoogleEarth軟件截圖出來的圖片作為虛擬的電子地圖來示意性的說明問題,。實(shí)驗(yàn)中，GPS天線置于福州大學(xué)旗山校區(qū)電氣學(xué)院樓頂,，監(jiān)控中心位于電氣學(xué)院南303實(shí)驗(yàn)室,。由圖中左半部分可以看到目標(biāo)最近一次的定位信息：定位時間：10：28：28；緯度：26°04'3．03"N,；經(jīng)度：119°11'42．57"E,；速度：0．048 m／s。右半部分圖中的紅,、綠,、藍(lán)小圈圈代表近三次實(shí)驗(yàn)獲得的定位位置結(jié)果(在地圖上幾乎重合，為說明位置在圖中進(jìn)行引出標(biāo)注),，紅色小圓點(diǎn)代表天線的真實(shí)位置(在圖中也進(jìn)行引出標(biāo)注說明),，Google Earth軟件中的地標(biāo)，用GoogleEarth軟件的測距工具測得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與天線真實(shí)位置的誤差約為12 m,，這主要由GPS模塊的定位精度所決定,。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，定位位置結(jié)果基本一致,，但經(jīng)緯度,、速度存在很小的零漂移，這是正常的,，零漂移的大小取決于GPS模塊的性能,。經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)證實(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定,、可靠,，定位誤差較小，基本上可滿足一般的應(yīng)用要求。若要應(yīng)用于對定位精度要求較高的場合,，可以考慮采用定位精度更高的GPS模塊等措施,。
4 結(jié) 語
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,、可靠,，可以實(shí)現(xiàn)無距離限制的遠(yuǎn)程定位。由于采用了虛擬串口技術(shù),，所以以較少的資源實(shí)現(xiàn)了GPS／GSM遠(yuǎn)程定位技術(shù),，該定位技術(shù)可以應(yīng)用于進(jìn)行遠(yuǎn)程定位的多種領(lǐng)域。但是,，由于作為定位數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的GSM網(wǎng)絡(luò)的固有問題,，對系統(tǒng)的實(shí)時性有一定的影響。比如,，有時會出現(xiàn)收發(fā)短消息延時的問題,，特別是在網(wǎng)絡(luò)擁擠的時候，有時還存在較小區(qū)域的通信盲區(qū),，可以考慮與運(yùn)營商建立一條專用短消息傳輸通道來保證遠(yuǎn)程定位信息的可靠傳輸,。相信隨著定位技術(shù)、通信技術(shù)以及GIS技術(shù)的不斷發(fā)展,，本文所討論的遠(yuǎn)程定位技術(shù)將會得到廣泛的應(yīng)用,。