基于GSM、GPS模块的手持无线线路巡护终端的设计

发布时间：2010-12-21 20:07 发布者：conniede

关键词： GPS , GSM , MCU , 单片机

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。

一、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。

二、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。