毕业设计（论文）-基于GSM-GPS模块的传感器信息远程监测系统.doc

基于GPS+GSM综合模块的传感器信息远程监测系统设计摘 要随着GSM网络技术和GPS技术之间的联系越来越紧密，GSM系统短消息业务快速地成为了GPS定位系统应用中一种全新的通信链路建立、数据信息传输的途径。针对箭载可回收产品搜寻难的问题，信息监测系统通过GPS定位和GSM基站定位得到确切的经纬度信息和基站信息，然后将这些信息以GSM短消息的形式发送出去。首先介绍了国内外定位的发展现状和发展趋势，并简单介绍了GPS定位知识和GSM相关知识，然后给出了基于GPS定位和GSM基站定位两种方法的信息监测系统的系统组成和性能指标。对信息监测系统的硬件电路部分的各个模块做了详细的说明，包括电源模块电路、GPS模块电路、GSM模块电路以及单片机控制模块电路的设计。其中的GPS模块用来接收GPS经纬度信息，GSM模块通过AT命令发送短消息和查询GSM基站定位信息，两个模块通过单片机的控制实现串口之间的通信。另外，通过对看门狗程序、串口通信程序、GPS数据提取程序以及GSM短消息发送程序等的编写完成了信息监测系统的设计流程，然后详细介绍了对信息监测系统关键部分的调试，包括AT命令串口通信调试、天线调试、整体功能调试。针对信息监测系统的防护问题，首先从芯片选择和结构设计上来考虑，然后描述了防护过程中一些需要注意的问题。关键词：GPS，GSM，定位，基站，短消息The designe Of Position Searching Device based on GPS and GSM short messageAbstractWith increasingly close ties between the GSM network and GPS technology, the short message service of GSM system quickly became a new channels of establish communication link and data transmission in the application of the GPS positioning system. In order to solve the problem that the recyclable products is difficult to find,the Information Monitoring System Through GPS positioning and GSM base station location to get the exact latitude and longitude information and base station information, and then the information will be sent in the form of GSM short message .This paper describes the develop status and trends of domestic and international positioning first, and introduces the knowledge of GPS positioning and the knowledge of GSM, and then gives the components and the performance indicators of the monitoring system based on two methods of GPS positioning and GSM base stations positioning.In this paper, there ie a detailed description of parts of the module of the hardware, Including the power module circuit, GPS module circuit, GSM module circuit and microcontroller control module. One of the GPS module for receiving GPS latitude and longitude information, GSM module to send short messages via AT commands and queries GSM base station location information, the control of two modules to achieve through the microcontroller serial communication. In addition, by the watchdog program, serial communication program, GPS data extraction procedures and the GSM short message sending procedures for the preparation of the positioning device to complete the overall design process, and then details the key part of the positioning device debugging, includingthe AT command port Communications testing, antenna testing, commissioning.Protection against the problem of monitoring system, the paper first choice and design from the chip up to consider, then describes the process of protection issues that need attention.Keywords: GPS,GSM, Location, Base station, The short mess目 录1绪论11.1课题的研究背景11.2课题的来源、研究目的和意义21.3国内外研究现状与发展趋势21.4主要研究内容41.5论文框架及章节安排52信息监测系统的整体方案及相关知识62.1信息监测系统组成及功能62.2信息监测系统的性能指标72.3GPS相关知识介绍82.3.1GPS概述82.3.2GPS信号接收机92.3.3GPS定位原理92.3.4GPS数据格式112.4GSM相关知识介绍122.4.1基站定位原理122.4.2GSM网络162.4.3SMS短消息业务介绍173信息监测系统的硬件电路设计193.1硬件总结构193.2单片机模块设计203.2.1MSP430单片机203.2.2MSP430F149单片机外围电路设计203.2.3MSP430F149单片机供电电路设计213.3GPS模块设计223.3.1NEO-5Q模块特性223.3.2NEO-5Q模块外围电路设计243.3.3NEO-5Q模块供电电路设计263.4GSM模块设计263.4.1SIM900模块特性273.4.2SIM900模块的外围电路设计293.4.3GSM模块供电电路设计303.4.4SIM卡电路设计313.4.5GSM通信状态指示电路323.5电源模块323.6单片机控制模块333.6.1复位电路及JTAG电路333.6.2单片机对GSM模块的控制343.6.3串口电路354信息监测系统的软件设计364.1系统软件总体设计流程364.2看门狗程序384.3串口通信程序384.3.1串口初始化394.3.2串口读取与写入404.4GPS 数据接收程序404.4.1GPS数据接收模块404.4.2GPS 数据格式424.4.3GPS 数据信息的提取434.5GSM 数据传输程序454.5.1GSM/GPRS模块控制454.5.2GSM 短信的发送475信息监测系统的防护措施566结束语57附录D 程序62参考文献78第III页 共页1 绪论1.1 课题的研究背景众所周知，航天领域的快速发展，给人类的生活带来了很大的变化和益处，其应用领域的不断扩展，不论是科技、经济还是对未来的展望都使人们有了全新的认识。航天事业的发展，使得太空资源不再是遥不可及。箭载航天可以说是人类探索浩瀚宇宙和获取丰富的太空资源必不可少的科技领域。箭载的各种存储器都是需要返回陆地的，其内部数据是我们认识太空环境的有力证明。然而箭载的各种可回收产品，在硬着陆的过程中，由于各种因素其着陆地是和预计的着陆地点还有着很大的差距的，这时候，我们就需要一种信息监测系统来确定这些可回收产品的确切位置，来实现回收数据的目的。本课题“基于GSM+GPS综合模块的传感器信息远程监测系统设计”就是在这种背景之下提出来的。全球定位系统（Global Positioning System），全称是卫星授时测距导航（Nqvigation Satellite Timing and Ranging），GPS 系统是一个基于卫星导航定位技术的全天候、被动式无线电导航、定位、授时系统1。自从美国国防部1973年提出GPS全球定位系统 (Global Positioning System)，经过二十余年的分阶段建设，终于在1993年初具运行能力，现在已经全面运行。它由三部分组成，包括广播信号的卫星组成的空间部分、控制整个系统运行的控制部分和各种类型的GPS接收机组成的用户部分。GPS的出现为导航带来了革命性变化，它能向全球范围内有适当接受设备的所有用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，它具有全球性、全天候、实时定位等优点，在航空、空间运载体引导、海事、陆地交通、大地测量等很多领域发挥着举足轻重的作用。GSM 移动通信系统(Global System for Mobile Communications)是我国国内目前发展最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝移动通信系统，基于 GSM 系统用户的庞大人群，其新业务、新功能也是层出不穷2。当然在利益的驱使之下，许多的新业务及功能都是为了满足用户的移动定位需求，面对国内人数超过 5 亿的用户群体，移动定位技术的快速发展也就显得迫在眉睫了。随着 GPS 全球定位技术的广泛应用和发展，通信链路的建立、数据信息的传输显然已经成为实际应用中尤为突出的问题了。GSM 系统短消息业务的快速发展使人们看到了一种全新的解决问题的途径，同时也使得 GSM 网络和 GPS 技术的应用领域更加广阔，之间的联系愈加紧密。GPS 和 GSM 的联合定位早在 2007 年的欧洲，就已经有了长足的发展，随着国内的快速发展，GPS 和 GSM 的联合定位的需求也呈现快速的增长态势。本课题“基于GSM+GPS综合模块的传感器信息远程监测系统设计”就是利用 GPS 定位和 GSM 移动定位两种技术，同时利用 GSM 系统的短信技术来实现箭载可回收产品的搜寻定位。1.2 课题的来源、研究目的和意义本课题来源于某科研项目，其主要功能就是在箭载可回收产品上安装远程信息监测装置，在箭载可回收产品硬着陆的过程中和着陆后的一定时间内，远程信息监测装置保持工作状态，将可回收产品所在位置的定位信息发送给一个指定的手机，这些定位信息是通过 GSM 网络的SMS 服务平台以短消息的形式进行传送的。远程信息监测装置的安装可以更快更便捷地搜寻到可回收产品，同时也节省了大量的人力物力，越快找到可回收产品就可以越快得到其带回的数据进行测定。1.3 国内外研究现状与发展趋势目前，国内基于“北斗一号”系统的“北斗运营服务平台”己经开通，标志着我国北斗大规模应用进入了实质性阶段，是我们国家自主建设的第一个区域性卫星定位系统，它将在我国的公路交通、铁路运输、航空航天、海上作业等领域发挥积极作用，并进一步推动国内GPS产业化的发展，对我国的国防和经济建设具有重大意义3。由于现在可用于组建系统的技术选择比较多，每个公司都在根据自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展方向的理解。国外对此的研究，己经开展了三、四十年，美国，日本和欧洲等国都为此投入了大量的资金、人力和物力，取得了很多有价值的成果。自GPS导航系统建成之后，GPS智能导航系统一经问世，即显示出强大的生命力和广阔的应用前景，并产生了巨大的社会和经济效益。由于巨大的市场潜力和不可估量的发展前景，日本和西方各大公司都参与这场高科技角逐。GPS技术在国内刚刚起步，具有广阔的应用前景，其应用热点已从前几年的渔业领域转入车辆应用，尤其是车辆定位监控和指挥调度应用，通信、INTERNET突飞猛进的发展，针对位置的信息服务也将走上快车道。目前美国拥有的GPS全球卫星定位系统在技术上遥遥领先。美国的GPS包括绕地球运行的24颗卫星，它们均匀地分布在6个轨道上。每颗卫星距地面约1.7万公里。美国的全球卫星定位系统为它的经销公司每年创造的销售额高达80亿欧元。美国联邦航空局预计，随着卫星定位及导航应用的日渐广泛，该行业的销售规模在未来两到三年中还将再翻一番。“伽利略”卫星定位系统将提升欧盟在这一领域的实力，带来巨大经济收益。欧盟的一项研究结果估计，发展“伽利略”卫星定位及导航技术仅在欧洲就可创造约14万个就业岗位，每年创造的经济收益将高达90亿欧元4。仅出售航空和航海终端设备一项，就可在2008年到2020年收入150亿欧元。预计到2020年，“伽利略”计划的经济收益将达740亿欧元。“伽利略”计划还将为欧洲带来巨大的社会效益。“伽利略”卫星定位系统作为未来交通管理和测量系统的核心部分，将是降低有关成本、产生宏观经济效益的关键。在公路导航系统应用方面，旅行时间、交通堵塞、大气污染和交通事故每减少1%，就会节约2000亿欧元；在民用航空方面，相应的数字约为5亿欧元。GPS全球定位系统是一项工程浩繁、耗资巨大的工程，被称为继阿波罗飞船登月、航天飞机之后的第三大空间工程5。海湾战争期间，GPS系统尚未完全建成，但初步使用已显神威。随着1993年GPS太空卫星网的完全建成，其应用领域不断扩大。美国1994年宣布在10年内向全世界免费提供GPS全球定位系统的使用权，使世界各国争相利用这一系统。1996年2月29日，美国政府正式宣布将GPS开放为军民两用系统，但仍实行SA（可用性选择）政策，故意劣化定位精度，使民用用户的应用受到限制。直到2000年5月1日，美国总统宣布将SA置为零，这无疑在很大程度上促进了民用GPS应用的发展和普及。另外，前苏联也发展了自己的全球定位系统：Glonass，同样也免费向民用市场开放使用；国际通信协会也有类似GPS的系统。相信不远的将来，我们也能享受到我国自己的卫星定位系统给我们带来的方便。 GPS业界流行这样一句话，“GPS的应用只受到人们想象力的限制”。目前GPS的民用领域已经包括了陆地运输、海洋运输、民用航空、通信、测绘、建筑、采矿、农业、电力系统、医疗应用、科研、娱乐等等。GPS的定位精度范围已从10m级达到mm级。1.4 主要研究内容通过MSP430单片机实现综合控制GPS模块和GSM模块进行工作。GPS模块将接收到的位置信息传送到MSP430单片机，MSP430单片机将处理过的位置信息传送至GSM模块。GSM模块将接收到的位置信息经过天线发送至目标手机。错误！链接无效。图1.1 系统框图本课题设计一个基于GSM+GPS综合模块的传感器信息远程监测系统，实现位置信息在目标机的显示。主要主要工作内容有：1.调研GPS技术的发展与应用；2.调研GSM/GPRS技术的发展与应用；3.基于MSP430单片机的工作电路设计；3.基于NEO-5Q GPS模块的工作电路设计；4.基于SIM900模块的工作电路的设计；5.制作PCB板，并且焊接实物。6.编写控制程序；7.调试。1.5 论文框架及章节安排第一章：绪论。简单介绍信息监测系统的研究意义和目前国内外研究现状及发展趋势，然后说明本文的主要内容和具体所做的工作。第二章：详细介绍信息监测系统总体组成、功能和本课题所涉及到的相关技术和原理。第三、四章：重点介绍信息监测系统的软、硬件设计。首先对硬件电路的电源模块电路、GPS 模块电路、GSM 模块电路以及单片机控制模块电路做详细说明，然后详细介绍软件的整体设计和关键流程等。第五章：主要介绍信息监测系统关键技术的调试。第六章：信息监测系统的防护措施。第七章：对本文的总结。2 信息监测系统的整体方案及相关知识2.1 信息监测系统组成及功能信息监测系统有两种定位方法：GPS 卫星定位和 GSM 网络基站定位。其中的 GSM 网络基站定位方法由于基站各区域密度的不同及定位精度不高的原因只作为GPS卫星定位方法的辅助。系统的组成除了信息监测系统外还包括 GPS 卫星、GSM 网络基站及指定手机。GPS 模块接收到来自 GPS 卫星的位置信息，GSM 模块通过 GSM 网络搜索到最近的基站得到对应的基站辅助定位信息，再通过一个微控制器控制，与 GSM 网络相连，最终把相关的定位数据信息发送到作为 GSM 接收机的指定手机上，然后通过综合分析判断出其位置信息。下图 2.1 是信息监测系统的示意图。图2.1 信息监测系统的示意图信息监测系统是由电源模块、单片机控制模块、GPS 模块和 GSM 模块四部分组成的。下图 2.2 为系统整体结构框图。图2.2 信息监测系统整体结构框图信息监测系统的主要功能是准确地将箭载回收产品落地后的所在位置经度与纬度信息和 GSM 基站信息，通过 GSM 网络发送到接收手机端，最终精确定位箭载可回收产品。信标机传输的信息主要有：（1） GPS 定位经纬度信息；（2） GSM 基站辅助定位信息；（3） GSM 信号强度；这些信息是通过手机短信的形式发送到指定手机上的。2.2 信息监测系统的性能指标a、能够不断地发出从 GPS 卫星上接收的定位信息；b、GPS 定位精度在 10 米以内；c、GSM 模块从 GSM 网络搜寻基站辅助定位信息；d、定位信息以手机短信形式发送出去；e、工作温度：-20C 至 +60C；f、工作电压：3.7V4.8V；g、外形尺寸：90mm x 100mm x 30mm a、能够不断地发出从 GPS 卫星上接收的定位信息，；2.3 GPS相关知识介绍2.3.1 GPS概述GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪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卫星导航与定位系统6。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命7。全球定位系统(Global Positioning System)是美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上(每轨道面四颗)，轨道角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)，这就提供了在时间上连续的全球导航能力8，卫星图如图2.3所示。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS钟改正值5。卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行基于GPS的车辆调度系统的设计至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并己经逐步深入人们的日常生活。图2.3 卫星图2.3.2 GPS信号接收机GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分，结构如图2.4所示。天线单元的主要作用是:当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是:记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。图2.4 GPS接收机电路模块2.3.3 GPS定位原理GPS定位原理主要有绝对定位原理和相对定位原理两种，下面将分别进行介绍。1)绝对定位原理910GPS绝对定位也叫单点定位，它是利用一台接收机观测卫星独立地确定出自身在WGS-84地心坐标系(GPS卫星的参考系)中的绝对位置。这一位置在WGS-84坐标系中是唯一，所以称为绝对定位。GPS绝对定位的实质是基于测量学中的空间距离后方交会。在GPS观测中，得到卫星的位置和卫星到测点的距离(伪距)，然后以卫星为中心，以距离为半径做球面。如果同时观测了3颗卫星，便得到了3个球面。这3个球面相交的一点，就是要求解测点的位置。实际测量中，由于卫星钟和接收机钟之间的钟差，接收机实际观测的测点到卫星之间的距离不是实际的距离，称之为伪距。接收机测量的伪距中，包括了3个坐标分量未知数和1个钟差未知数，为了实时地求解这四个未知数，就必须至少同时观测4颗卫星，如图2.5所示。图2.5 GPS绝对定位原理2)相对定位原理GPS相对定位，也叫差分GPS定位11，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。GPS相对定位，测量的位置是相对于某一己知点的位置，而不是在WGS-84坐标系中的绝对位置。它可以精确测量出两点之间的坐标分量差(X,Y,Z)和基线长(B)。这样，如果一点的绝对坐标已知，就可以计算出另外一点的精确坐标。在GPS相对定位中，至少需要两台精密测地型GPS接收机。两台GPS接收机分别设置在基线的两端点，同步观测同一组GPS卫星，以求解出基线端点的相对位置或基线向量12。如图2.6所示。图2.6 GPS相对定位原理图2.3.4 GPS数据格式NMEA- 018313是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式。它是在过去海用电子设备的标准格式0180和0182的基础上，增加了GPS接收机输出的内容而完成的。目前广泛采用的是Ver2.00版本。现在除少数GPS接收机外，几乎所有的GPS接收机均采用了这一格式。NMEA-0183使用ASCII字符的句子(sentence)型编码，每一句最长为82字符，传送速率为4800 baud， 以$号为起始, /为终止，表示回车、换行每一字段以,分隔, “ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和。GPS接收机可以输出多种语句格式。如GGA、ZDA、GLL、GSA、GSV、VTG等格式。其中$GPGGA是最常用的一种数据格式。本文仅对GPGGA信息语句进行详细分析14:GPGGA: Global Positioning System Fix Data (GPS固定数据输出语句)$GPGGA 语句包括17个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记(用回车符和换行符)，分别用14个逗号进行分隔。该数据帧的结构及各字段释义如下：$GPGGA,M,M,*xx$GPGGA：起始引导符及语句格式说明(本句为GPS定位数据)； UTC时间，格式为hhmmss.sss； 纬度，格式为ddmm.mmmm(第一位是零也将传送)； 纬度半球，N或S(北纬或南纬) 经度，格式为dddmm.mmmm(第一位零也将传送)； 经度半球，E或W(东经或西经) 定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效； 使用卫星数量，从00到12(第一个零也将传送) 水平精确度，0.5到99.9 天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米M 指单位米 大地水准面高度，-9999.9到9999.9米M 指单位米 差分GPS数据期限(RTCM SC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量 差分参考基站标号，从0000到1023(首位0也将传送)。* 语句结束标志符xx 从$开始到*之间的所有ASCII码的异或校验和 回车 换行2.4 GSM相关知识介绍2.4.1 基站定位原理GSM 基站定位是利用 GSM 移动通信网的蜂窝技术来实现位置信息的查询。我们知道，GSM 网络的基础结构是由一系列的蜂窝基站构成的，这些蜂窝基站把整个通信区域划分成一个个蜂窝小区。这些小区小则几十米，大则上千米。我们用移动设备在 GSM 网络中通信，实际上就是通过某一个蜂窝基站接入GSM 网络，然后通过 GSM 网络进行数据（语音数据、文本数据、多媒体数据等）传输的15。也就是说我们在 GSM 中通信时，总是需要和某一个蜂窝基站连接的，或者说是处于某一个蜂窝小区中的。GSM 基站定位方法是由两种定位方法结合起来，即采用混合定位方法来得到比仅使用一种定位方法更高的定位精度的。 （1）到达时间 TOA(Time of Arrival)定位TOA 技术原理:由于传输信号的移动台距离周围基站的距离不同，信号到达每个基站的时间也就不同，利用到达基站的时间来测量出移动台的位置坐标就是到达时间定位的方法16。首先设从移动台发出信号到信号到达基站的时间为 t，这个时间是可以通过测量得出的，而电磁波在空气中的传播速度 c=3x108m/s，那么移动台和该基站之间的距离就是 R=ct，公式如下所示： Ci=Cti= (式2.1)上式中（x1，y1）为基站的位置坐标是已知量，（x，y）为移动台的位置坐标是未知量。以基站坐标为圆心，以 R 为半径，就可以看出移动台必在这个圆周上，同样的对第二个基站进行如此操作，也会得到一个圆周，移动台也同样在这个有圆周上，这是就只剩下两个位置可供选择，如此对第三个基站做同样的处理，三个圆周相交的那一点就是移动台的位置17。通过联立这三个基站的方程求解，就可以得出我们需要的位置坐标。其原理图如图 2.7：图 2.7 TOA定位原理TOA 到达时间定为技术和 GPS 定为技术一样需要定位基站和移动台在时间上同步，当然也可以通过四个甚至是五个基站进行定为，不过那时测量得到的位置坐标也比时间同步测量的位置坐标定位精度要小。（2）到达时间差 TDOA(Time Difference of Arrival)定位到达时间差 TDOA 定位原理：由于传输信号的移动台距离周围基站的距离不同，信号到达每个基站的时间也就不同，利用到达基站的时间来测量出移动台的位置坐标就是到达时间定位的方法（TOA），而通过信号到达多个基站的时间差来对目标移动台进行定位的方法就是到达时间差 TDOA 定位18。到达时间定位是通过几个圆周的相交来确定位置坐标的，而到达时间差 TDOA 定位则是通过双曲线来测量位置坐标的。首先通过到达时间定位（TOA）测量的到达基站时间信息的处理，得出两个基站的到达时间差，从而确定一对双曲线，这对双曲线以两个基站的位置坐标为焦点，移动台就在双曲线的一点上，TDOA 定位原理如图2.8所示。图 2.8 TDOA 定位原理设基站 A、B 间距离为 b，M(x，y)为移动台的位置，过到达时间定位（TOA）测量出移动台发射的信号到达 A、B 的时间分别为 ta， tb，相应的移动台与 A、B 两个基站的距离分别为 r1、r2，由此可以得到同一信号到达 A、B 两个基站的时间差为：t *= ta-tb ，相应的距离差为:r = r1-r2 =ct*。以 A，B 基站的位置坐标为焦点列双曲线方程，移动台就在双曲线一支的某一点上： (式 2-2)上式中，x、y 为未知量，距离差 r 通过测量计算是已知量，b 为两个基站之间的距离是已知量。两个未知数就需要两个方程联立求解，当用三个基站作为焦点来画曲线时，任意两条曲线的交点就是移动台的位置19。设移动台发出信号由 3 个基站 A、B、C 来接收，接收时间分别为ta，tb，tc。基站 A 和 B 之间的接收时间差为t1* =ta-tb，基站 A 和 C 之间的接收时间差为t2*=ta-tc，然后就可以联立两个方程来求解，三条曲线的某两条曲线会有交点，而这个交点所在的坐标就是我们需要求解得到的移动台所在位置 M(x，y)的位置坐标。如图 2.9 所示。图2.9 3个基站进行TDOA 定位示意图影响基站定位精度的主要因素有以下几点：（1）周围基站的密度，基站密度越大，定位精度越高；（2）时间的不同步；（3）地形障碍；（4）干扰影响。2.4.2 GSM网络GSM是英文Global System for Mobile Communications的简称，中文含意是全球移动通信系统。其典型结构如图2.10所示。图2.10 GSM机构网络图由图可见，GSM系统主要由MS(移动台)、NSS(网络子系统)、BSS(基站子系统)、OSS(操作维护子系统)几个主要部分组成20。移动台(MS)是直接由用户使用完成移动通信的设备；基站子系统(BSS)是GSM系统中与无线蜂窝方式关系最直接的基本的组成部分，它通过无线接口直接与移动台相连，负责发送接收和无线资源的管理；网络子系统(NSS)是整个系统的核心，它对GSM移动用户之间及移动用户与其他通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的功能。主要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道信令处理和本地运行维护等；同时它与基站子系统(BSS)相连实现移动用户间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等当然也要与操作支持子系统(OSS)之间实现互通。GSM标准自1992年投入商用以来，得到不断的验证和发展。现已发展到phase2+阶段，这一阶段的核心问题就是高速移动数据通信2122。GSM系统可提供多种业务，目前已开通并较常用的业务有话音、短信、数据等。短消息SMS(Short Message Service)是GSM移动电信系统的补充业务之一，它借助GSM网信令传递间隙进行传送，不会占用话务信道。短消息的发送和接收离不开GSM数据通信平台。GSM数据通信平台是利用GSM短消息功能传输各种检测、监控数据信号和控制命令的通用通信平台，可以广泛应用于远程监控和数据采集、移动目标的监控以及个人信息终端。不需另外铺设网络、通讯费用低廉、不受地域限制、可任意设置传输机制。 2.4.3 SMS短消息业务介绍l SMS定义及其特点SMS(Short Message Service)短消息服务就是通过GSM网络提供的传输有限长度的文本数字或文字信息的服务。这种信息的传输是在GSM手机之间或手机与其他短消息实体之间通过业务中心进行文字信息收发实现的，其中业务中心是独立于GSM网络的一个业务处理系统，主要功能是提交、存储、转发短消息，并完成与PSTN,internet等网络的互通，以实现来自其他SME(Short Message Entity如:人工台/自动台、各种SP建立的资讯平台等)的短消息的传递23。短消息也称作短信息或短信，短消息业务按其实现的方式可以分为点到点短消息业务和小区广播短消息业务(点到多点)2425。l SMS的格式规范26SMS是由ETSI组织制定的一个规范27。短信息格式主要有三种：BLOCK模式、TEXT模式和PDU(protocol description unit，协议数据单元)模式。BLOCK模式现在几乎以被淘汰，这里不再阐述。TEXT模式是基于ASCII码字符的一种结构模式。每一条命令很容易读懂，实现起来也很容易；缺点是不能收发中文短信。PDU模式也是基于十六进制形式字符的，数据和代码都经过编码，所以无法直接读懂；但PDU模式同时支持中英文两种短信。PDU模式收发短信包括3种编码7-bit、8-bit和UCS2编码。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，它将一串7-b的字符(最高位为0)编码成8-bit的数据，每8个字符可“压缩”成7个。8-bit编码用于发送数据信息，比如图片和铃声等。UCS2编码用于发送Unicode字符。PDU模式在GSM移动设备中使用得最为普遍。在PDU模式中，当使用7-bit编码时，最多可发160个字符；使用8-bit编码时，最多可发140个字符；6-bit编码时，最多可发70个汉字字符。因此在发送时需要将8位(HEX)字节数据编码成8位(OCT)字节发送；接收时需要将8位(OCT)字节解码成7位(ASCII)字节。在本设计中，GPS数据都是ASCII码字符，而且设置的请求信息内容也为ASCII码字符，所以TEXT模式就能满足使用需求，而且过程十分直观。而且使用TEXT可以减少使用PDU编码和解码部分代码，可以节省代码空间。3 信息监测系统的硬件电路设计3.1 硬件总结构图3.1 信息监测系统硬件总结构框图系统硬件主要由MSP430单片机，GPS定位模块，GSM通信模块等构成。GPS模块接收到GPS数据后，经过串口发送至单片机，单片机将处理后的信息发送至GSM模块，GSM模块信息经过GSM天线将信息发送至接收机。GPS 模块：GPS 模块波特率为 9600，主要接收来自 GPS 卫星的 GPS 时间、经纬度定位信息等。电源模块：电源模块为其他模块提供供电电压。控制模块：控制模块调节各模块之间信息的传输，控制 GPS 模块和 GSM 模块的工作状态。GSM 模块：GSM 模块波特率为 9600，用来使信标机连接到 GSM 网络并发送定位信息，同时搜寻基站信息定位。供电控制电路：通过单片机控制电压转换芯片的使能端，以此实现对 GPS 模块的控制。当系统启动完成初始化的时候，首先通过 GPS 模块接收 GPS 卫星发来的原始导航信息，如:经度、纬度、信号强度、时间等数据，然后经过单片机控制模块进行筛选处理后，找出需要的具体信息数据，再通过 GSM 模块把这些位置信息以短消息的形式发送到指定手机上。3.2 单片机模块设计3.2.1 MSP430单片机MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH 的单片机，它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器，具有统一的中断管理，具有丰富的片外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8M 的时钟28。由于为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)的相连,不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右)，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，适合与做手柄之类的自动控制的设备29 30。本次选用MSP430F149单片机。3.2.2 MSP430F149单片机外围电路设计MSP430的外围电路主要有复位电路和晶振组成。MSP430F149单片机的外围电路如图3.2所示,，MSP430F149单片机外部晶振电路图如图3.3所示。图3.2 MSP430单片机外围接线电路 图3.3 MSP430F149单片机外部晶振电路图3.2.3 MSP430F149单片机供电电路设计 第60页 共81页单片机采用3.3V供电，系统电源由USB或外接电池提供，通过XC6206稳压模块获得3.3V稳定输出电压，给单片机及其他外设供电。图3.4 系统供电电路3.3 GPS模块设计GPS 模块主要用于接收 GPS 卫星所发送的信号。GPS 模块的种类很多，但是其 GPS接收机的内部结构大同小异。GPS 接收机由三部分组成：射频前端模块、信号处理模块以及应用处理模块31。三个模块在 GPS 接收机中都有各自的工作特点，这也是 GPS 接收机分割功能模块的主要方面。射频前端模块包括：GPS 天线、前置放大器、下变频滤波放大电路、频率合成器、自动增益控制、基准频率器以及 A/D 转换器。其作用就是抑制干扰、提高信噪比。信号处理模块包括多通道相关器，其作用是对 GPS 信号进行采集接收以及解调等，对 GPS 发送的信号数据进行提取解读。应用处理模块包括：存储器、处理器以及数据 I/O 端口、显示控制和其他外设，主要作用就是控制多通道相关器以及通过对信号处理模块传输的信号数据进行深入的处理，最终得出用户所需要的 GPS 信息数据。3.3.1 NEO-5Q模块特性NEO-5Q GPS 模块就是集成了 RF 射频芯片、基带芯片和核心 CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。u-blox 公司是专业制作 GPS 接收芯片的大型公司，不论是产品性能、技术指标还是其广阔的用户市场都说明了 u-blox 公司在 GPS 领域的领先地位。通常所用的 GPS 卫星定位系统都是民用的 GPS 系统，在民用 GPS 产品的各领域应用上，GPS模块就显得至关重要了。GPS 模块的种类很多，但是大体结构还是没有大的区别，GPS模块的简单方便已经成为我们选取 GPS 模块考虑的重要因素32。目前 GPS 模块已经简化到了就剩几个接口的地步，包括：电源、地、串口接收和发送接口以及 GPS 天线接口。GPS模块定位精度以及抗干扰性的不断提高，成本的不断下降都使得 GPS 模块市场的竞争越来越大。在本课题中，我们选用的是 u-blox 公司的一款 GPS 接收芯片：NEO-5Q。NEO-5Q 为多功能独立型 GPS 模块，以 ROM 为基础架构，成本低，体积小，并具有众多特性。 采用 u-blox 最新的 KickStart 微弱信号攫取技术，能确保采用此模组的设备在任何可接收到信号的位置及任何天线尺寸都能够有最佳的初始定位性能并进行快速定位33。其实物如图 3.5 所示，引脚分布如图3.6。图3.5 NEO-5Q外观图表3.1 NEO-5Q性能指标接收器类型50通道/GPS L1频率/C/A码启动时间冷启动：29s温启动:29s热启动:1s辅助启动1s跟踪灵敏度-160dBm水平定位精度2.5m时钟精度RMS:30ns定位速度精度0.1m/s航向精度0.5操作限制高度：50000m速度:500m/s供电电压2.7-3.6V功耗典型值35mA3.3V 34mA2.7V天线供电方式外部或内部VCC RF天线监测集成了短路检测和天线关断功能图3.6 NEO-5Q引脚图GPS 模块 NEO-5Q 的主要特性有：（1）50 个通道卫星接收功能；（2）100 万个以上的相关引擎；（3）可同步追踪 GPS 及伽俐略导航卫星信号；（4）提供多种接口：UART，USB，IIC，SPI。（5）工作电压：2.7V3.6V（6）功 耗：全速模式 135mW 3.0V（7）极限速度：500m/s（8）运行温度：-4085（9）封装尺寸：16 12.2 2.4 mm3.3.2 NEO-5Q模块外围电路设计GPS 模块的外围电路连接如图 3.7 所示。工作电压 GPSVCC 为 3.3V，全速模式功耗小于 150mW。21、22 管脚 TxD1 和 RxD1 是 NEO-5Q 和控制模块单片机的串口连接端。图3.7 NEO-5Q接口电路GPS 天线采用的是内置有源陶瓷天线， NEO-5Q 的 VCC_RF 必须要和 reserved 管脚相连。如果采用的天线为内置无源天线的话，图中10uH的电感L1和10 欧姆电阻,