电子巡查系统中GPS的智能移动终端设计

引言

　　现在以GPS（全球卫星定位系统）为核心的GIS（地理信息系统）设备正进入普及应用阶段。随着技术的发展，各种移动定位终端已经深入我们的生活，而同时人们需要更多基于位置的安全保障，于是也向GPS提出了新的要求，能否提供一种嵌入式GPS，提供安防联防诸如巡查过程中保安移动信息服务，位置监控调配服务等。不言而喻，GPS、微型嵌入式终端等新技术，必然成为GIS中一个新兴的重要研究领域。

　　本设计主要实现电子巡查系统(图1)智能终端两个关键技术环节：GPS信息获取以及空间位置信息、总台命令的无线交互传输。

系统设计

　　以往的保安巡查没有太多设备，人均一个对讲机，一条警棍。随着GPS的出现，基站即总台对每个保安的地理位置信息的掌握成为可能。即每个保安配备一套GPS定位设备，以及一套将自身位置信息发送给总台的无线收发设备。由于给每个保安重新配备一套设备成本高昂，而且淘汰已有的对讲机不够现实，于是，将对讲机作为已有的信道载体，便一举两得，只须对旧的对讲机作局部电路的调整修改，就能既方便又实际地构筑前所未有的安全体系。
 

 

图1 电子巡查系统应用

 

利用主板与各个功能模块的结合组成移动智能终端。它包括MCU即单片机AT89S52、GPS接收模块、模拟调制解调芯片MSM6882、液晶显示模块LCD1602、语音合成芯片XF1M01，见图2。

　　移动智能终端完成正向GPS数据采集、处理和发送，以及反向对总台命令进行接收、识别、执行。

　　其中GPS模块一秒钟输出一次GPS信息，MCU将其收录，并在显示模块上显示自身经纬度和时间日期。然后通过调制解调芯片将数据加载到对讲机然后无线传输给总台，完成正向任务。
 

 

图2 智能终端结构

 

　　接着会有大约半秒种时间段等待总台命令，若收到总台的命令，即根据数据帧判断命令类型，提取相应数据，经MCU处理后执行相应的显示操作和语音提示操作，完成反向任务。

　　当终端接收到目标命令信息并处理执行后，重新发送回总台时前导码改变以表示命令接收成功，使总台作出相应处理。例如前导码可以从“start”变成“start1”。

　　和以往功能单一，界面欠缺人性化的便携式设备相比，这个GPS数据采集处理传输一体化智能终端有了功能的扩展。首先，每个保安可以在LCD显示屏上看到自己的所在经纬度、时间日期等信息，给保安一个直观，清晰的地理位置感。另外，可以实时接收来自总台的命令信息，经MCU处理后，将总台派遣前往的地点经纬度现实在LCD屏幕与自身位置加以对比，实现信息的透明化。另一个改进是语音提示智能化以及角度偏置的计算，通过接收总台发出的目标派遣地点经纬度，与自身位置比较后，明确清晰地提示保安该往什么方向走多远。系统终端采用51系列的单片机作MCU。用调制解调芯片把信号加载到对讲机实现无线传输代替独立的无线通信模块。液晶屏选取简单易用的LCD1602。方案大大降低成本，而且稳定可靠。

　　系统必须制定一个合理的流程(图3)以便充分发挥MCU对数据采集、处理、传输等功能。

　　为了使系统工作尽量的稳定，功能尽量的多（上行下行都有各自的处理执行时间），以及数据更新尽量的快（GPS数据一秒一帧，系统处理不够用可将其改成两秒一帧），系统必须制定一个合理的时序以便统一分配时间。
 

 

图3 终端工作流程

 

　　MCU控制各个功能模块工作可参考图4的时间安排。

 

图4 终端MCU控制时序分配

 

　　如图4所示，在1秒时隙内，先接收GPS信号（图中GPS表示），经采集后再发送给调制芯片（图中Send_data），然后控制LCD显示（图中LCD），显示完毕后开始等待接收总台命令信号，等待直至下一秒的到来，相隔大约0.6秒。若下一秒到来前没有命令信号则转入下一个循环；若下一秒到来前有接收到命令信号则进入接收程序（图中Receive_data），经过短暂的数据处理时间段（图中process）后再启动显示（图中LCD2），然后驱动语言芯片发音（图中Speak）。成功收到命令信息后，下一周期的“Send_data”将改变前导码以反馈给总台。

硬件电路设计
 

 

图5 智能终端整体硬件电路

 

MCU

　　本设计采用AT89S52作为MCU，其中P0口与P1口的2，3，4控制LCD1602；P1口的5，6，7作为同步串口控制调制解调芯片MSM6882；串口的RX接收GPS数据，TX发送语音数据(见图5)。

GPS模块

　　设计采用u-blox公司的GPS接收模块nr-86，该模块体积小重量轻，集成高灵敏度、低功耗的NemeriX芯片方案于设计中。本模块能快速定位, 1Hz导航更新频率，并可以对16颗卫星进行同时跟踪。支持WGS-84的数据协议。它接口简单，TTL电平串口输出NMEA-0183格式的数据，只须连接模块的TX端与51单片机的RX端，另外单片机P1.0与模块的RESET端相连，以控制模块复位。本设计采用NMEA默认格式中的$GPRMC协议，是由于该协议精简，信息覆盖面广，数据容易被单片机采集处理。

调制解调芯片MSM6882

　　在设计时，89S52单片机通过同步串口与该芯片相连，然后由芯片把信号调制到模拟信道，再将信号加载到对讲机（PTT）上，由对讲机实现无线传输。单片机CLK引脚的输入时钟周期应在0.42μs到1.35μs范围内，通过可调电阻调节调制信号输入到电台的幅值。信号一路经信号限幅后送入MSM6882的AI引脚，另外一路经放大、检波、幅值比较后送

　　入单片机，以作为载波检测信号。当系统检测到该信号时，可以采取延时发送的方式来避免同频干扰和信道阻塞。

语音合成芯片XF1M01

　　语音合成芯片 XF1M01通过异步串口接收待合成的文本，它内含GB-2312汉字字库，外接单支三极管驱动扬声器，即可实现文本到声音（TTS）的转换，设计中音频输出通过功放再送给扬声器，以获得较大音量，适应户外环境。只须送给它汉字的内码(即16位二进制字符)，即可读出一字，多送多读，因此对存放空间的要求要低，适合电子巡查系统的应用。芯片空闲时Ready端输出低电平，因此将其连至单片机P3.2，单片机即可扫描该引脚，当芯片空闲时就通过异步串口给它发送数据。传输波特率由Baud_0、Baud_1两个引脚决定，设计中采用的是9600bps。单片机的P1.1与芯片RESET端相连以控制芯片复位。

结语

　　设计了一个嵌入式智能移动定位终端，经过实物调试成功。巧妙利用低成本硬件实现了GPS的信号采集、处理、传输等的功能。设计通过低成本的设备改良制作出了智能移动终端，实现总台对保安位置等信息的掌握，监控。本设计巧妙地运用原有对讲机网络作为数字通信媒介，使得成本更低应用更方便。另外语音合成文本芯片的运用简化了硬件的开发。

参考文献：

[1] 何立民，单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社,1990.
[2] 刘大杰，GPS原理与数据处理,同济大学出版社,1996,
[3] NR-86 datasheet,u-blox
[4] MSM6882 datasheet,OKI
[5] XF1M01 datasheet,科大讯飞

 

 

 

STM32/STM8

意法半导体/ST/STM