基于GSM的移动监测定位系统设计

1、摘要本系统设计为解决远程移动监测、控制定位等问题而提供设计方案，主要以STC12系列的一款性能优越的单片机作为核心的控制采集模块，其中包括采集端下位机的设计，以及监测中心上位机应用程序的设计。在下位机的设计包括GSM模块的无线通信，温度湿度等传感器采集模块设计以及单片机接收端与PC机的串口通信的设计。湿度测量模块和温度测量模块采集相关数据，其中湿度需要经单片机的模拟电平转数字电平才能将转换为电量信号，经A/D转换模块转换成数字信号，单片机可处理，语音报警模块发出相关报警信号后，将信号通过GSM短信模块，通过与GSM移动网络，中文短消息，直接把报警地点反映到您的手机或者电脑屏幕上。设计的理论相对

2、简单，安全性高，无需设置专用网络和维护网络，并且GSM网络覆盖面很广，因此与传统的监测系统相比有许多独特的优点。关键词：单片机，GSM，监测，定位AbstractIn order to solve the problems of the system of monitoring and positioning and design, mainly with STC12C5A60S2 MCU as the control core of the acquisition module, including the design of acquisition terminal machine, an

3、d the design of Monitoring Center PC application. In the design of wireless communication machine including GSM module, temp humidity sensor acquisition module design and the design of the MCU receives the serial communication terminal and PC machine. The photoelectric sensor and the temp sensor to

4、collect signals into electrical signals, through the A/D converter module into digital signal processing, microprocessor, issuing the relevant alarm voice alarm module signal, the signal through the GSM SMS module, with GSM mobile network, Chinese Short Message, directly to the alarm location reflec

5、ted to your mobile phone screen. The design theory is relatively simple, high safety, no need to set up special network and maintenance network, and GSM network coverage is very broad, so compared with the traditional monitoring system has many unique advantages.Keywords：microcontroller, GSM, monito

6、r, position目 录摘要1Abstract21.概述31.1研究背景及意义31.2移动通信网络介绍31.3定位技术介绍41.4研究内容52.GSM定位方式分析52.1 COO定位法52.2 圆周定位法62.3 双曲线定位62.3.4 方位角定位73.系统总体方案设计84.系统硬件设计94.1采集控制单元模块94.2GSM模块104.3 温湿度数据采集模块104.4 电源电路114.5监测中心硬件设计115系统软件设计115.1 下位机软件系统115.1.1DS18B20温度采集程序125.1.2AM1001湿度采集程序135.1.3GSM模块发送温湿度和位置坐标程序135.1.4STC

7、12C5A60S2控制GSM模块接收控制指令程序145.2PC端应用程序设计146系统通信协议166.1 通信协议简介166.2 GSM网络通信协议简介166.2 监测中心到下位机通信协议176.3 下位机到监测中心的通信协议187总结18参考文献20致 谢211. 概述1.1 研究背景及意义18中叶，英国爆发工业革命，人们进入了蒸汽时代，生产力得到了很大的提升；到了19世纪中，电气时代的到来有给我们人类提供了很大的便利，对我们人类社会的很多方面都造成了深渊的影响；随后我们又不如一个信息时代，我们的生活工作都离不开了信息电子产业，我们的生产力水平有提升了很多，信息产业的发展给我们人类真正带来了

8、极大的福利。而对电子产品的研究与开发将会变得越来越重要。在未来的发展道路上我们将越来越重视对于智能仪器的开发，产品在不断进行着更新换代，而我们也要不断的进行创新实践来适应这个告诉发展的时代，只有这样我们才能在当今世界这个变幻莫测的年代能创造出我们应该创造的价值，以顺应时代发展的需求。 随着最近这些年人们生活质量的明显提升，人们不断关注生活当中衣食住行的质量等问题，从以往的出行靠人力或畜力，到现在的各种电气化、石油化的各种交通工具，交通工具发生着天翻地覆的变化。但是，新的变化带来新的问题，我们生活质量提升之后，便越来越珍惜我们周围的一切，越来越关系我们的生命财产，为此对我们所有物的实时监测便显得

9、尤为重要，我们都希望能够在随时随地都可以观察到我们设备所处的状态，我们都很关心我们所处的环境是否安全，我们还希望能够监测到远端设备的状况。面对这些问题我们便需要一个移动监测系统，通过它我们可以方便的观察远方设备的状态以及我们设备周围环境的状态，并且通过本地的设备，轻松的对远程设备进行控制。然而，如果我们自己用线路连接需要监测的设备是很不方便的，同时造价也很昂贵，因此我们想要实现远程监测就必须依靠现有的电信线路。GSM作为移动通信系统的一种主要通信方式，其通信线路以及通信基站已经搭建完成，我们可以直接利用这些资源进行开发设计，这样我们就只需要获得接口权限就可以了。这样完成的系统只需要通过手机短信

10、等就可以接受监测到的信息，很方便实用1。1.2 移动通信网络介绍移动通信网是通信网络中的一种。它主要是在移动设备之间或者说移动设备与固定设备之间通信的一种多点对多点的网络，这些通信对象可能是在陆地，水中或者是空中，我们通常讨论的是地面上移动设备之间的通信。我们之所以称其为移动通信不仅仅是因为通信设备可以移动，更重要的是我们即使在处于运动的过程当中也可以进行正常的通信，这样我们就可以肯定移动通信系统只能采用无线通信的方式来实现2。移动通信网络按照不同的划分标准可以有很多种类型，目前广泛应用的是蜂窝网，它把移动电话服务分为6边型的小区，每区设立一个基地，形成了一个类似于蜂窝的结构的形状，由此被叫做

11、是蜂窝网。因为蜂窝网络的广泛应用是来自一个上数学的理论，即覆盖一个半径相等的圆面，当中心在每个正六边形中心的六边形网格，这是当中心是利用圆最少当三角网格。虽然未知节点的问题，可以使用至少覆盖图中的一个节点的最大面积即使要求如翻译同晶格网格仍然是亟待解决的问题，但在通信，圆形表示实际使用要求通常是合理的。这种方式的网络在一起进行覆盖，形状很像一个蜂巢，因此我们把它叫作蜂窝网络3。1.3 定位技术介绍定位技术是一种用来确定某对象的所处位置的高科技技术，其应用非常广泛，目前最主要的定位技术有很多，在具体实现技术上可以采用其中一种或多种进行混合来完成最终需要。以下对几种定位方式进行简要介绍：（1）GP

12、S定位：GPS定位的一般原则可以这样理解：由二十四颗卫星构成，在世界任何的时刻，无论处于世界的哪个位置，测量已知位置的卫星到接收机之间的距离，这样那么多卫星的数据就可以确定知道接收机的具体位置4。在天空中寻找范围的卫星是非常低的，因此，GPS定位，一开始可能需要几分钟。这就是为什么当我们用图中经常出现的一个大圆圈，只有在某一点的确切原因。 然而，如果我们能知道我们前进的大致位置在位置之前的卫星搜索速度可以大大减少5。（2）基站定位：基站定位主要使用Cell ID ，Cell ID通过识别网络中传输的用户，移动电话和翻译信息为纬度和经度来确定用户位置。CELL ID定位的基本原理：无线网络报告终

13、端小区标号（根据业务平台的估计位置服务站），小区标号转化为纬度和经度6。设备的主要过程为：首先从基站获得所处方位通过网络设备将被发送到指定服务器服务器根据位置查询区域现有的卫星信息GPS接收机设备根据可用的卫星，快速找到可用的GPS卫星定位信息并返回GPS。（3）Wifi定位：只需检测设备的附近的热点，对每个热点的信号强度进行比较判断，然后将这些获得的信息发送给网络服务器，让其根据信息查询服务器，数据库已经存储有每个热点所在的具体方位信息，再通过计算比较，从而确定出我们的移动设备作出的具体的方位。（4）FRID、二维码定位：建立天线通过设置卡，根据接收到的信号强度，到达时刻的读卡器，角度定位。

14、目前不能精确定位，该读卡器和天线布局需要大量的工程实践经验是很难的，还说WiFi成本更经济实用7。1.4 研究内容本设计主要就是对移动监测定位系统进行研究讨论，并给出具体实现方案，以实现通过单片机读取环境信息然后连接GSM模块将信息以短信的新方式发送出去，并经由GSM网络传送到接受端读取处理显示等功能。其主要内容包括:研究定位方法并选择最优方案；对GSM的通信协议进行研究，并提供其与单片机通信的实施方法；给出系统的硬件连接以及软件设计；完成PC端应用程序的开发8。并且对GSM的定位技术进行重点研究，通过AT指令获取设备对应的基站的位置信息，经由单片机处理并发送到接收端的GSM模块，以确定发送端

15、所处的位置信息。2. GSM定位方式分析蜂窝移动通信网络对移动设备定位本身具有一定的特殊性，所以有些方法适合移动位置，有些方法是不适合的，也有一些方法需要改进。在GSM定位方式中，我们主要提供一下几种方法的研究与讨论。2.1 COO定位法这种定位方法是一种利用现有的网络资源的定位技术，他是移动定位技术中的一种简单可靠且实用的确定位置的方案。COO的具体实现：在移动信号覆盖区域，手机用户连接到网络，你需要在区内注册。当手机用户在一个小区的身份信息登记后，登记处将保留在系统数据库9。COO定位系统，只要小区基站系统广播中心位置的半径，定位覆盖所有手机区域半径内的基站，和手机的方位等信息，该地区在基

16、站位置信息中心系统数据库注册。在城市规划区内，目前在我国为了解决交通需求的不断增加，采取多层住宅结构的使用。在人口稀疏的区域，使用通常的小区，其覆盖的半径范围大概为四百米左右；在交通密集的地区，如商业街，办公楼，微微窝，覆盖半径可达到一百米的高度；此外，交通密集区也采用了双重甚至更多层的小区结构。因此，在繁华的商业区，一个手机至少可以在微蜂窝覆盖，小于一百米的定位精度，如果在多个小区覆盖，定位精度可以达到五十米以内。我国的乡村地区，由于交通量很小，基站的密度比较低，覆盖的半径比较大，使用COO定位精度一般只能获得一千米到两千米这个范围。基础不需要移动设备的定位，定位和信号传输的空中接口很小，所

17、以定位响应时刻短，通常不超过三秒，企业能够达到精确定位的需求，采用CELL-ID这种定位技术是一个很好的方案。2.2 圆周定位法圆周定位我们可以通过图2-1清晰的看出来，如果通过测量获取移动设备和基站之间的距离为r，那么我们就可以看做是移动设备位于以基站作为圆心，以r作为半径的一个圆周之上。通过数学中的几何我们可以确定三个圆交在一点上，该点即为移动设备所在的地方，所以我们要想确定移动设备的位置只需要测量出移动设备同三个相近的基站之间的长度即可10。图2-1 圆周定位2.3 双曲线定位图2-2给出了双曲线定位的数学图形，通过此图我们可以清楚的看到各个基站以及移动设备的位置关系。如果知道移动台向基

18、站BS1，BS2的两距离，可以由移动站获得的是位于两个基站集中到一个双曲线。通过对左右分支的长度差值的测量，就能够更深一步的确定移动设备在双曲线的左半支或者是在右半支的曲线上，然后测量另一组双曲线可以通过求解移动设备的位置。图2-2 双曲线定位2.3.4 方位角定位图2-3为方位角定位图，到达基站根据测量移动设备发射信号的角度来确定，寻找一条直线，你可以确定移动设备在两条线相交的地方。图2-3 方位角定位这种方法也叫做定位方法的AOA，得到入射信号的角度空间谱估计方法可以使用，如多重信号分类，信号参数估计方法。但衡量接收天线阵列信号到达角需要使用，以通信链路被阻塞一样，很难有直达波信号，所以波

19、的入射角度有一定的偏差，导致角误差的测量，因此这种方法很少独自被采用11。考虑到系统实现需要,我们使用的单片机处理复杂的数学计算相对困难，因此选用第一种方案来进行设计。3. 系统总体方案设计根据系统所要完成的任务以及我们现有的条件，我们对具体的实现方案进行讨论研究，并确定最终实现方案。下面给出了一下几种监测系统的实现方案：方案一：通过控制器携带WiFi等职能设备进行监测定位，并将采集到的数据通过以太网传送。通过使用WiFi可以很方便的连接到互联网，并将数据进行传送处理，并且我们还可以通过WiFi所处的网关或者路由很迅速的确定WiFi设备所处的位置以完成定位的任务。然而使用WiFi来开发虽然能够

20、保证数据的有效传输，但是如果我们要求的监测对象需要不确定性的更换位置，使用WiFi则不能达到要求，况且WiFi设备必须处于WiFi网络当中才能保证其数据的正常传送，这就给我们开发设计带来了很大的障碍12。方案二：通过GSM移动网络来完成移动监测与定位的任务GSM网络可以让我们直接通过短信数据流量等方式来完成移动数据的传输与接收的任务。我们可以在发送端使用单片机等微控制芯片连接GSM模块来进行通信数据的传送，接收端也使用GSM模块来接收，然后将接收到的数据再传送到PC机以完成监测数据的传输任务。由于GSM网络已经在全球范围内覆盖并且通过基站可以确定设备的位置，因此很方便我们的设计。综合考虑各种因

21、素，我们最终确定方案二为本设计的实施方案，系统总体框图如图3-1所示。图3-1系统框图4. 系统硬件设计硬件设计主要是对单片机信息采集处理以及单片机与GSM模块进行通信的设计，基于STC12C5A60S2的定位监测系统设计电路的主要组成模块为有采集控制单元，GSM模块，温湿度采集模块，监测中心接收模块等13。电路图如图4-1图4-1 电路原理图4.1采集控制单元模块作为此设计中心控制单元中的核心，STC12C5A60S2不仅要控制GSM的收发信息，还要采集传感器收集到的数据，并实现报警功能。所有的硬件都要围绕着STC12C5A60S2来设计，烧录的程序也放到它的程序存储空间，是本设计重要的一部

22、分，图4-2给出了其连接图。图4-2 控制模块最小系统4.2 GSM模块 SIM800H芯片是一款功能强大的全球无线通信器件，能够满足人们对短信、语音通话等功能，且能够全球定位和传送日期时刻。其获取定位信息需要发送获得定位信息AT+CIPGSMLOC=1,1。且这个模块能够输入输出TTL电平，与单片机相连不需要电平转化电路，硬件实现上降低了很大难度14。图4-3 GSM接口电路4.4 电源电路 本设计采用6V锂电池作为供电电源，由于单片机内部需要5V的直流电源，因此在接入单片机之前需要进行降压稳压处理，其连接电路如图4-5所示。图4-5 电源电路4.5 监测中心硬件设计监测中心有GSM模块和P

23、C计算机构成，GSM模块负责接收下位机上传的温湿度数据和定位数据，发送控制报警指令。其硬件设计简单，只需给GSM模块4V左右供电和其上的RXD、TXD和GND与计算机相连，用九针串口就可以轻松实现。5 系统软件设计5.1 下位机软件系统下位机软件系统设计主要包括DS18B20和AM1001温湿度采集程序、STC12C5A60S2控制GSM模块接收控制指令程序和发送温湿度和位置坐标程序、报警程序，其主程序流程如图5-1.图5-1 程序流程图5.1.1 GSM模块发送温湿度和位置坐标程序GSM模块已经设计的非常适合单片机使用者去开发，其模块引出的RXD、TXD与单片机兼容，可直接由单片机的串口进行

24、接收和发送，软件设计上简化了许多。其定位信息存储在11位的数组里，我们可以直接通过量化数组信息，确定其位置信息。TI=0; if(GSM_data15='A') for(f=0;f<11;f+) weiduf=GSM_data17+f; /通过接收到的短信内的数组确定定位维度信息for(k=0;k<12;k+) /通过接收到的短信内的数组确定定位经度信息jingduf=GSM_data29+f;GSM_fasong_AT_zhiling(); GSM_shiyongTXT(); /把GSM调整成文本模式 delay_Xms(1000);GSMCSCA(); dela

25、y(100); GSM_CMGS();GSM_HUA1(); delay(100); delay(100);5.1.2 STC12C5A60S2控制GSM模块接收控制指令程序STC12系列单片机在串口个数上，与以往的传统单片机不同，它有两个，这更加方便了我们对串口的应用。控制串口输入给GSM特定的指令，使其完成发送含有控制信息短信，实现对远程的控制。Init_UART(); while(GS_Minit()!=1);P0=0; printf_2("AT+CMGF=1rn"); delay_ms(500);printf_2("AT+CSCS="); UAR

26、T_2Send_A_byte(0x22);printf_2("GSM");UART_2Send_A_byte(0x22);printf_2("rn");delay_ms(500);printf_2("AT+CNMI=2,2,0,1rn"); delay_ms(500);printf_2("AT+CMGF=1rn"); delay_ms(500);printf_2("AT+CSCS="); UART_2Send_A_byte(0x22);printf_2("GSM");UART

27、_2Send_A_byte(0x22);printf_2("rn");delay_ms(500);printf_2("AT+CMGS=");UART_2Send_A_byte(0x22);printf_2("quot;); UART_2Send_A_byte(0x22);printf_2("rn");delay_ms(500);rintf2("B"); 6 系统通信协议6.1 通信协议简介数据通信机是机器之间的相互交流，与其他的沟通方式，需要在通信系统中提供了一个统一的通信标准，通

28、信的内容是什么，何时和如何沟通，这些内容必须承认并遵守通信实体之间的协议，这项协议将被称为通信协议。通信协议的内容主要包括以下几方面：一、语义：用来确定通信的双方讲话的具体内容也就是讲什么的问题，其中包括通信协议的种类以及内容，也有用于检测是否顺利传送的校验信息。二、语法：规定通信的双方用何种方式去将，也就是确定交流的内容使用什么样的格式，这些格式包括信号的电平类型也包括传送的数据采用何种格式进行的或者是编码方式如何。 三、定时关系：规定互相通信的两方之间在何时进行交流，确定交流过程中的先后顺序，定时关系，传送速率以及时序是否一致等问题16。6.2 GSM网络通信协议简介GSM通过使用TDMA

29、或者FDM的多址接入方式来工作，可以容纳八个时分用户，其帧结构如下：图6-1 GSM的帧结构GSM体系结构,满足的基本层的上层协议的服务,其中层与层之间，以确保通知传递的信息已经正确格式化，传播，并收到。其协议栈协议栈图如下图所示：图6-1 GSM通信协议栈6.2 监测中心到下位机通信协议通信监测中心下机只要监测中心发出的命令帧，机架接收指令并做出相应的操作。我们需要监测的设备的的位置度信息分为两种：方式一，获取当前时刻的LAC和Cell ID信息；方式二，在每一个监测中心特定好的时刻来获得一次LAC和Cell ID的信息。指令的帧格式如下：采用方式一：表6-1 方式一帧格式帧头“S” (0X

30、53)指令码“C” (0X43)当下位机接收到这一个指令帧之后获得当前的LAC和Cell ID信息，然后通过短信的方式把获取的信息发给上位机。采用方式二：表6-2 方式二帧格式帧头“S” (0X53)指令码“D” (0X44)定时时刻当下位机接到该指令帧后每个设定时刻获取一下LAC和Cell ID信息，并以短信的方式发给上位机。取消定时采集：表6-3 取消定时帧格式帧头“S” (0X53)指令码“Q” (0X51)当下位机接收到该指令帧后便停止了定时获取LAC和Cell ID的信息。6.3 下位机到监测中心的通信协议监测中心发送指令帧短信，下位机收到指令帧后，获取基站信息，并以设定的通信协议将

31、数据发出。发送当前的基站信息数据：表6-4 当前数据帧格式帧头“S”（0X53）指令码“R”（0X52）基站信息结束符“E”(0X45)如果当前监测中心发送的指令帧要求每隔一段时刻获取一次基站信息进行发送，我们的指令码采用“P”(0X50)，指令码后跟的是指令值，表示这帧数据是每隔设定的指令值的时刻采集并发送的。表6-5 定时数据帧格式帧头“S”（0X53）指令码“P”(0X50)指令值基站信息结束符“E”(0X45)7 总结系统对GSM用于移动监测定位的系统进行了的分析与讨论，并完成了最终的设计实现。设计包括下位机软件以及硬件的设计，上位机应用程序的设计以及系统通信协议的研究。系统在实现其设计的过程当中进行了多次方案的选择，其中包括系统总体方案的确定，GSM定位方法的研究与讨论以及系统硬件与软件设计的确定。最终我们使用单片机作为数据采集的下位机，采集当前的温湿度信息并通过GSM的AT指令获取当前或者特定时刻的位置信息，将获取的这些信息通过GSM模块发送至接收端。然后接收端的GSM模块接收发送来的数据通过串口通信传送给PC机，而PC机上运行我们使用LABVIEW开发的上位机软件，将获取的信息接收过来进行处理最终显示在电脑屏幕。这一系统的完成既涉及到了单片机，电源以及传感器等硬件知识，还运用了C语言图形编程语言等软件语言，同时在具体传送过程中还涉及到了很多通信协议以及GS