基于ARM的GPS地面目标跟踪及报警系统的设计与实现.docx

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基于ARM的GPS地面目标跟踪及报警系统的设计与实现

－３４－

●应用与设计

国外电子元器件》《２００７年第６期２００７年６月

基于ＡＲＭ的ＧＰＳ地面目标跟踪及报警系统

的设计与实现

汪忠华，章益品，姚银花，王金海

（天津工业大学信息与通信工程学院，天津３００１６０）

摘要：

以ＡＲＭ微处理器为核心，利用ＧＰＳ技术和ＧＳＭ网络，设计了一种地面目标跟踪及报警系统。

该系统通过解析卫星定位数据，解码获取当前经纬度信息，然后经ＧＳＭ模块向监控中心发送

ＳＭＳ，监控中心将得到的信息解析并在电子地图上显示出来，实现实时定位跟踪，对于个人防劫持、

车辆防盗等方面具有重要意义。

关

键

词：

ＧＰＳ；定位；ＧＳＭ；ＡＲＭ；电子地图

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１００６－６９７７（２００７）０６－００３４－０４

中图分类号：

ＴＰ３６８．１

Ｄｅｓｉｇｎｏｆｇｒｏｕｎｄ－ｔａｒｇｅｔｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄａｌａｒｍｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

ｂａｓｅｄｏｎＡＲＭａｎｄＧＰＳ

ＷＡＮＧＺｈｏｎｇ－ｈｕａ，ＺＨＡＮＧＹｉ－ｐｉｎ，ＹＡＯＹｉｎ－ｈｕａ，ＷＡＮＧＪｉｎ－ｈａｉ

（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｄｅ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

ＯｎｔｈｅｃｏｒｅｏｆＡＲＭｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ａｄｅｓｉｇｎｏｆｇｒｏｕｎｄ－ｔａｒｇｅｔｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄａｌａｒｍｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈＧＰＳｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＧＳＭｎｅｔｗｏｒｋｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆＧＰＳｄａｔａａｎｄｄｅｃｏｄｉｎｇｏｆｉｔ，ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｎｔｈｉｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｓｅｎｔｔｏｍｏｎｉｔｏｒｃｅｎｔｒｅｂｙＧＳＭｍｏｄｕｌｅｉｎｔｈｅｗａｙｏｆＳＭＳ．Ｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒｗｉｌｌｂｅｄｉｓ－ｐｌａｙｅｄｏｎａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｐ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋ．Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｈａｓｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｔｉ－ｈｉｊａｃｋａｎｄｖｅｈｉｃｌｅｇｕａｒｄａｇａｉｎｓｔｔｈｅｆｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ＧＰＳ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＧＳＭ；ＡＲＭ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｐ

１

引言

随着现代化科技的发展，人们对移动目标监控

数据传输能力明显加强，并且，ＧＰＳ技术更加成熟，

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。

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。

２Ｏ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

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２５ｍ。

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。

２ＧＰＳ和ＧＳＭ简介

全球定位系统（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）是美国从２０世纪７０年代开始研制，历时２０年，耗资２００亿美元，于１９９４年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代

基于ＡＲＭ的ＧＰＳ地面目标跟踪及报警系统的设计与实现

卫星导航与定位系统。

其基本原理是把高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方的方法，确定待测点的位置［２］。

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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。

ＧＳＭ系统是目前基于时分多址技术的移动通

讯体制中比较成熟、应用最广泛的一种系统，主要提供话音、短消息、数据等多种业务，本系统就是利用其短消息服务传输数据。

高精度、自动化、高效益等显著ＧＰＳ以全天候、

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。

图２

手持终端原理图

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。

图１

系统组成结构

４

系统的硬件设计

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

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－Ｓ

软件设计主要包括系统初始化、如图３所示。

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４８００ｂ／ｓ、

ＣＰＵ的微控制器，并带有２５６ＫＢ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

ＵＡＲＴ１波特率为９６００ｂ／ｓ，均无奇偶校验位，１位

－３６－

停止位，８位数据位

。

国外电子元器件》《２００７年第６期２００７年６月

＜１１＞地磁变化方向，为Ｅ或Ｗ

５．３ＧＳＭ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Ｂｌｏｃｋ基于ＡＴ命令的ＴｅｘｔＭｏｄｅ和基于ＡＴ命令的Ｍｏｄｅ、

ＰＤＵＭｏｄｅ。

其中ＰＤＵＭｏｄｅ应用最为广泛。

本系统采用的是ＰＤＵＭｏｄｅ，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

图３程序流程图

５．２ＧＰＳ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。

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《等资料。

比如发送一ＡＴ命令用户手册》条消息可以采用ＡＴ＋ＣＭＧＳ命令，格式如下：

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

经度、高度、采用的是ＡＳＣＩＩ码，其内容包含了纬度、

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：

￥ＧＰＲＭＣ，２２５４４６，Ａ，４９１６．４５，Ｎ，１２３１１．１２，Ｗ，０００．５，０５４．７，１９１１９４，０２０．３，Ｅ＊６８

￥ＧＰＲＭＣ，＜１＞，＜２＞，＜３＞，＜４＞，＜５＞，＜６＞，＜７＞，＜８＞，＜９＞，＜１０＞，＜ｌ１＞

＜１＞当前位置的格林尼治时间（ＵＴＣ），格式为ｈｈｍｍｓｓ＜２＞状态，Ａ为有效位置，Ｖ为非有效接收警告＜３＞纬度，格式为ｄｄｍｍ．ｍｍｍｍ

＜４＞标明南北半球，Ｎ为北半球、Ｓ为南半球＜５＞径度，格式为ｄｄｄｍｍ．ｍｍｍｍ

＜６＞标明东西半球，Ｅ为东半球、Ｗ为西半球＜７＞地面上的速度，范围为０．０到９９９．９＜８＞方位角，范围为０００．０到３５９．９度＜９＞日期，格式为ｄｄｍｍｙｙ

＜１０＞地磁变化，从０００．０到１８０．０度

ＡＴ＋ＣＭＧＳ＝＜短信长度＞＋＜回车＞＋＜目的手机号码＞＋＜回车＞＋＜短信内容＞＋＜Ｃｔｒｌ＋Ｚ＞

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

停止位１、无ＣＯＭ１口的各参数：

波特率４８００ｂ／ｓ、

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

基于ＡＲＭ的ＧＰＳ地面目标跟踪及报警系统的设计与实现

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）。

单，可靠性较高。

参考文献：

－３７－

操作性及实时性有显著提高，而且成本较低，结构简

［１］周立功．ＡＲＭ嵌入式系统基础教程［Ｍ］．北京：

北

京航空航天大学出版社，２００６．

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２５ｍ以内，误差原因主要来自两方面：

首先是ＧＰＳ模块硬件本身的性能误差，ＧＳＵ－３６要求工作电压为直流３．１Ｖ～３．６Ｖ（纹波≤５０ｍＶ）。

且模块使用有源天线，若天线受附近电磁场干扰或ＧＰＳ卫星所处位置不很理想时，定位精度会有不同程度的降低。

另一方面，电子地图的分辨率也大大决定了定位点的精确性。

编辑ＯＺＩ是一个支持自主测绘、电子地图的软件。

为达到理想的定位精度，可自行测绘一份更精细的电子地图。

［２］袁建平．卫星导航原理与应用［Ｍ］．北京：

中国宇

航出版社，２００３．

［３］孙增军，胡延平．基于ＧＳＭ的移动监控定位系统

设计［Ｊ］．现代电子技术，２００３，（９）：

４４－４７．

［４］李学桥，张征，袁建平，陈卫锋．基于ＧＰＳ定位、ＧＳＭ短消息运输监控系统的设计与实现［Ｊ］．郑州轻工业学院学报（自然科学版），２００６，２１（２）：

５３－５６．

［５］武斌，李康，孔繁敏，王岩，宋嵩．基于ＧＳＭ

短消息的ＧＰＳ手持机的设计与实现［Ｊ］．计算机工程与应用，２００５，４１（１２）：

１０７－１０９．

７

结束语

基于ＡＲＭ微控制器的嵌入式系统能够完成所

［６］田世君，张德民，徐志刚．基于ＡＲＭ嵌入式操作

系统定位终端的设计与实现［Ｊ］．重庆邮电学院学报（自然科学版），２００６，１８（１）：

７５－７８．

作者简介：

汪忠华（１９８５－），男，浙江宁波人．本科生，主要研究方向为嵌入式系统。

收稿日期：

２００７－０４－２９

咨询编号：

０７０６１１

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

图４ＯＺＩ

电子地图软件上显示的定位信息