基于GSM、GPS模块的手持无线线路巡护终端的设计

2008-05-19 14:16:40来源: 电子系统设计

  随着光纤通信传输网的延伸以及通信维护任务的增加,为加强通信线路的维护,并及时发现维护过程中存在的各种问题,迫切需要开发一套成本低廉、适合通信总站通信线路维护任务、实用性强的巡护监管系统。对于在通信线路维护中存在维护人员分散、线路分布地域广、管理部门难以掌握线路巡护情况,某些单位存在线路巡护不及时、不到位、缺少有效的监管手段的实际情况。为彻底解决线路维护管理这一难题,本文研制了一套通信线路巡检监管系统,可实现对线路巡护的实时监控,及时掌握每条线路巡护出勤率、工作量,并发现线路巡护过程中存在的各种问题。

  本文中的硬件设备采用嵌入式开发设计,MCU采用MSP430F149芯片进行系统控制,并预设JTAG接口这种简单方便的程序下载方式,以便对终端设备功能进行完善和修改。GPS模块采用德国FALCOM公司的JP13模块,定位速度快、性能稳定、信息准确、功耗低。GSM短信息模块采用明基公司的BENQ-M32模块,具有体积小,信号稳定、支持900/1,800MHz双频、接通率高、信号质量好等特点。设备结构简单、成本低、操作使用和维护方便,并且集成度高、能耗低、体积小、便于携带。

  功能实现

  1. GPS定位信息采集通信的实现

  使用单片机的串口与GPS模块的通信口相连,系统上电后,对MCU进行初始化,开始串口工作、设置波特率,使MCU与GPS模块建立通信连接,当GPS模块接收到定位信息数据后,以全报文的方式发送给MCU。数据是实时的,因此MCU可根据接收的数据判断当前的时间和定位情况。

  2. GSM短信息收发通信的实现

  使用AT指令集对GSM模块进行初始化,实时接收控制中心发送的设置信息和查询信息,通过设定的通信协议来修改终端设备的各项保密设置,并查询终端的当前位置和当前状态。

  3. 手持设备的操作和显示

  本文设计的手持终端采用简洁、易懂、便于使用的按键和显示器。可以通过简单的按键操作和易懂的显示方法对手持终端进行操作,查询当前的位置信息、已发送和未发送信息,还可以随时发送当前的位置信息给控制中心。

  4. 存储功能的实现

  可以存储200条已读和未读短信息,IIC总线控制,擦出重写次数为十万次。

  硬件电路实现

  如图1中的电路设计框图所示,手持终端设备主要由MSP430F149 FLASH型单片机、GPS模块(JP13)、短信收发控制模块(BENQ-M32)、FLASH存储器、LCD显示器及天线等部分组成。

  

  1. MSP430F149单片机及其主要功能

  本系统采用的MSP430F149单片机是德州仪器公司(TI)的MSP430F14x系列,这是一款超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。它采用“冯-纽曼”结构,RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内,两通道串行通信接口可用于异步或同步(UART/SPI)模式。它具有丰富的片内外围,是F14x系列中功能最强大的一款,非常适合于构成一个全功能的便携式单片机应用系统。该器件在本系统中的作用主要包括:管理控制整机工作,对各模块进行上电自检,处理键盘输入,液晶板的字符显示,指示灯的状态显示,按键提示音的生成,控制GSM、GPS模块的协调工作,根据操作完成定位信息的编码发送等等。上电启动过程如图2所示。

  

  上电开机时首先对BENQ-M32模块、LCD显示器、JP13模块进行初始化。预置英文字符及汉字字符信息,发送数据给LCD显示器,显示开机信息。发送指令给BENQ-M32模块检测SIM卡,检测GSM信号强度。由JP13获取GPS定位信息,并将信息格式输出至LCD上显示。当上述检测完成后,终端自动发送一个开机信息给信息中心,告知中心该终端已登录系统。

  当检测到无SIM卡时,显示错误信息后程序中断,终端不再工作;若SIM卡检测正常,则继续执行。

  终端工作方式有自动定时上报位置信息和手动上报两种工作方式,当系统中心以GSM短信的形式发送给终端“自动发信”指令时,BENQ-M32在接收到信息后,将该信息传送至MSP430F149单片机,单片机进行处理后获得自动发送间隔时间(发送间隔时间取值范围为0~255分钟,“0”表示终端手动发送),此时终端进入自动发送状态。MSP430F149单片机将终端号、信息内容、经纬度坐标和发送时间格式转化成字符串,再将字符串传送至BENQ-M32,以短信的形式发送给系统中心。

  2. GPS定位信息的采集及处理

  GPS模块采用德国FALCOM公司GPS模组JP13,它采用了美国SiRF公司Star III芯片组,具有如下优点:定位精度高:定位误差小于10m;定位速度快:冷启动时间小于30s;超高灵敏度:灵敏度达-159dbm;功耗低:工作电压+3.3V DC,功耗105mw。JP13获得定位数据后通过串口输出至单片机,通信波特率为115200,输出数据格式是NMEA-0183。

  GPS坐标的提取过程:接收机只要处于工作状态就会源源不断地将接收并计算出的GPS导航定位信息传送至单片机UART串行接口。在未经过分类提取之前,这些信息是无法加以利用的。与其它通信协议类似,对GPS进行信息提取必须首先明确其帧结构,然后才能根据结构完成对各个定位信息的提取。发送至单片机的数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成,根据数据帧的不同,帧头也不相同,主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。这些帧头标识了后续帧内数据的组成结构,各种帧均以回车符和换行符作为帧尾标识一帧的结束。本文所关心的定位数据是经纬度、速度、时间等信息,这些信息均可以从“$GPRMC”帧中获得。

  其它几种帧格式则没有使用,虽然接收机在不断向单片机发送各种数据帧,但在处理时可以先通过对帧头的判断而仅对“$GPRMC”帧进行数据提取,从中提取出所关心的时间(日期和时间)和地理坐标(经、纬度)信息进行处理。

  从GPS接收机中获得的时间信息为格林尼治时间,因此需要在获取时间上加8小时才为中国标准时间。而且GPS使用的WGS-84坐标系也与中国采用的坐标系不同,在使用过程中也需要对此进行变换。

  3. 数据传输的实现

  由于GSM网络在全中国范围内实现了联网和漫游,用户无需另外组网,因而在极大提高网络覆盖范围的同时节省了昂贵的建网费用、设备成本和维护费用。同时,GSM网络对用户的数量也没有限制,克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高,且网络覆盖范围和用户数量受限的缺陷。与传统的集群系统相比在网络覆盖上具有无法比拟的优势,再加上GSM的短信息服务(Short Message Service, SMS)本身具备无线双向数据传输功能,性能稳定,为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。因此,我们在信息传输中采用了GSM的SMS平台。

  在设计实现中我们选用的短信收发模块是台湾明基公司的BENQ-M32模块,采用内置天线,支持900/1,800MHz双频,其主要功能是完成短信息的收、发,进行SIM卡检测,将收到的信息传送至单片机进行处理,并将单片机传送来的信息发送出去。单片机通过UART串行接口直接向GSM模块发出AT命令,从而可以方便地实现基于GSM的短信息的收发、查找和管理。

  4. 对GSM无信号情况的处理

  由于通信线路中可能存在手机信号无法覆盖的情况,系统设计了信息自动存储功能。当无GSM信号时,终端会自动将待发送的信息存储在AT24C64存储器中,等待有GSM信号时再自动发送。

  5. 各信号指示灯的控制和含义

  在正常状态下3个指示灯的作用分别是:LED1为GPS状态指示,当获取GPS信号时此信号灯闪烁,正常工作时不亮,此信号灯的控制由MSP430F149单片机完成,P54输出脉冲,使得LED闪烁;LED2灯为GSM信号指示,当无信号时无显示,信号正常时闪烁,此信号的控制由短信模块通过P46脚输出来完成;LED3为充电指示灯,充电过程中此灯亮,充电完成后灯自动熄灭。

  6.硬件原理图

  该手持终端设备(图3)由电池供电,电池输出电压为4.2V,系统配备了充电器。GPS模块和MCU的工作电压是3.3V,由S818将4.2V电压降到3.3V的标准工作电压。

  

  本文小结

  本文设计的手持终端由GPS接收模块、GSM射频收/发模块、单片机控制单元三大部分组成。监控中心由电子地图系统、资料数据库系统、信息接收单元及数据处理部分组成。传输网络采用现有的中国移动或中国联通的GSM短信数据平台SMS实现信息传输。

关键字:模块  GSM  GPS  巡护  单片机  帧内  线路  手持终端  上电自检  AT命令

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0519/article_664.html
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