電子巡查系統(tǒng)中GPS的智能移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

摘要：本文給出電子巡查系統(tǒng)中移動(dòng)智能終端設(shè)計(jì)及詳細(xì)硬件連接方案。
關(guān)鍵詞：電子巡查系統(tǒng)；GPS；單片機(jī)；無(wú)線傳輸

引言

　　現(xiàn)在以GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）為核心的GIS（地理信息系統(tǒng)）設(shè)備正進(jìn)入普及應(yīng)用階段。隨著技術(shù)的發(fā)展，各種移動(dòng)定位終端已經(jīng)深入我們的生活，而同時(shí)人們需要更多基于位置的安全保障，于是也向GPS提出了新的要求，能否提供一種嵌入式GPS，提供安防聯(lián)防諸如巡查過(guò)程中保安移動(dòng)信息服務(wù)，位置監(jiān)控調(diào)配服務(wù)等。不言而喻，GPS、微型嵌入式終端等新技術(shù)，必然成為GIS中一個(gè)新興的重要研究領(lǐng)域。

　　本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)電子巡查系統(tǒng)(圖1)智能終端兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：GPS信息獲取以及空間位置信息、總臺(tái)命令的無(wú)線交互傳輸。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　以往的保安巡查沒(méi)有太多設(shè)備，人均一個(gè)對(duì)講機(jī)，一條警棍。隨著GPS的出現(xiàn)，基站即總臺(tái)對(duì)每個(gè)保安的地理位置信息的掌握成為可能。即每個(gè)保安配備一套GPS定位設(shè)備，以及一套將自身位置信息發(fā)送給總臺(tái)的無(wú)線收發(fā)設(shè)備。由于給每個(gè)保安重新配備一套設(shè)備成本高昂，而且淘汰已有的對(duì)講機(jī)不夠現(xiàn)實(shí)，于是，將對(duì)講機(jī)作為已有的信道載體，便一舉兩得，只須對(duì)舊的對(duì)講機(jī)作局部電路的調(diào)整修改，就能既方便又實(shí)際地構(gòu)筑前所未有的安全體系。

圖1 電子巡查系統(tǒng)應(yīng)用

　　利用主板與各個(gè)功能模塊的結(jié)合組成移動(dòng)智能終端。它包括MCU即單片機(jī)AT89S52、GPS接收模塊、模擬調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882、液晶顯示模塊LCD1602、語(yǔ)音合成芯片XF1M01，見(jiàn)圖2。

　　移動(dòng)智能終端完成正向GPS數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，以及反向?qū)偱_(tái)命令進(jìn)行接收、識(shí)別、執(zhí)行。

　　其中GPS模塊一秒鐘輸出一次GPS信息，MCU將其收錄，并在顯示模塊上顯示自身經(jīng)緯度和時(shí)間日期。然后通過(guò)調(diào)制解調(diào)芯片將數(shù)據(jù)加載到對(duì)講機(jī)然后無(wú)線傳輸給總臺(tái)，完成正向任務(wù)。

圖2 智能終端結(jié)構(gòu)

　　接著會(huì)有大約半秒種時(shí)間段等待總臺(tái)命令，若收到總臺(tái)的命令，即根據(jù)數(shù)據(jù)幀判斷命令類型，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU處理后執(zhí)行相應(yīng)的顯示操作和語(yǔ)音提示操作，完成反向任務(wù)。

　　當(dāng)終端接收到目標(biāo)命令信息并處理執(zhí)行后，重新發(fā)送回總臺(tái)時(shí)前導(dǎo)碼改變以表示命令接收成功，使總臺(tái)作出相應(yīng)處理。例如前導(dǎo)碼可以從“start”變成“start1”。

　　和以往功能單一，界面欠缺人性化的便攜式設(shè)備相比，這個(gè)GPS數(shù)據(jù)采集處理傳輸一體化智能終端有了功能的擴(kuò)展。首先，每個(gè)保安可以在LCD顯示屏上看到自己的所在經(jīng)緯度、時(shí)間日期等信息，給保安一個(gè)直觀，清晰的地理位置感。另外，可以實(shí)時(shí)接收來(lái)自總臺(tái)的命令信息，經(jīng)MCU處理后，將總臺(tái)派遣前往的地點(diǎn)經(jīng)緯度現(xiàn)實(shí)在LCD屏幕與自身位置加以對(duì)比，實(shí)現(xiàn)信息的透明化。另一個(gè)改進(jìn)是語(yǔ)音提示智能化以及角度偏置的計(jì)算，通過(guò)接收總臺(tái)發(fā)出的目標(biāo)派遣地點(diǎn)經(jīng)緯度，與自身位置比較后，明確清晰地提示保安該往什么方向走多遠(yuǎn)。系統(tǒng)終端采用51系列的單片機(jī)作MCU。用調(diào)制解調(diào)芯片把信號(hào)加載到對(duì)講機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸代替獨(dú)立的無(wú)線通信模塊。液晶屏選取簡(jiǎn)單易用的LCD1602。方案大大降低成本，而且穩(wěn)定可靠。

　　系統(tǒng)必須制定一個(gè)合理的流程(圖3)以便充分發(fā)揮MCU對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)裙δ堋?/P>

　　為了使系統(tǒng)工作盡量的穩(wěn)定，功能盡量的多（上行下行都有各自的處理執(zhí)行時(shí)間），以及數(shù)據(jù)更新盡量的快（GPS數(shù)據(jù)一秒一幀，系統(tǒng)處理不夠用可將其改成兩秒一幀），系統(tǒng)必須制定一個(gè)合理的時(shí)序以便統(tǒng)一分配時(shí)間。

圖3 終端工作流程

　　MCU控制各個(gè)功能模塊工作可參考圖4的時(shí)間安排。

圖4 終端MCU控制時(shí)序分配

　　如圖4所示，在1秒時(shí)隙內(nèi)，先接收GPS信號(hào)（圖中GPS表示），經(jīng)采集后再發(fā)送給調(diào)制芯片（圖中Send_data），然后控制LCD顯示（圖中LCD），顯示完畢后開(kāi)始等待接收總臺(tái)命令信號(hào)，等待直至下一秒的到來(lái)，相隔大約0.6秒。若下一秒到來(lái)前沒(méi)有命令信號(hào)則轉(zhuǎn)入下一個(gè)循環(huán)；若下一秒到來(lái)前有接收到命令信號(hào)則進(jìn)入接收程序（圖中Receive_data），經(jīng)過(guò)短暫的數(shù)據(jù)處理時(shí)間段（圖中process）后再啟動(dòng)顯示（圖中LCD2），然后驅(qū)動(dòng)語(yǔ)言芯片發(fā)音（圖中Speak）。成功收到命令信息后，下一周期的“Send_data”將改變前導(dǎo)碼以反饋給總臺(tái)。

硬件電路設(shè)計(jì)

圖5 智能終端整體硬件電路

MCU

　　本設(shè)計(jì)采用AT89S52作為MCU，其中P0口與P1口的2，3，4控制LCD1602；P1口的5，6，7作為同步串口控制調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882；串口的RX接收GPS數(shù)據(jù)，TX發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖5)。

GPS模塊

　　設(shè)計(jì)采用u-blox公司的GPS接收模塊nr-86，該模塊體積小重量輕，集成高靈敏度、低功耗的NemeriX芯片方案于設(shè)計(jì)中。本模塊能快速定位, 1Hz導(dǎo)航更新頻率，并可以對(duì)16顆衛(wèi)星進(jìn)行同時(shí)跟蹤。支持WGS-84的數(shù)據(jù)協(xié)議。它接口簡(jiǎn)單，TTL電平串口輸出NMEA-0183格式的數(shù)據(jù)，只須連接模塊的TX端與51單片機(jī)的RX端，另外單片機(jī)P1.0與模塊的RESET端相連，以控制模塊復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用NMEA默認(rèn)格式中的$GPRMC協(xié)議，是由于該協(xié)議精簡(jiǎn)，信息覆蓋面廣，數(shù)據(jù)容易被單片機(jī)采集處理。

調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882

　　在設(shè)計(jì)時(shí)，89S52單片機(jī)通過(guò)同步串口與該芯片相連，然后由芯片把信號(hào)調(diào)制到模擬信道，再將信號(hào)加載到對(duì)講機(jī)（PTT）上，由對(duì)講機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。單片機(jī)CLK引腳的輸入時(shí)鐘周期應(yīng)在0.42μs到1.35μs范圍內(nèi)，通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)輸入到電臺(tái)的幅值。信號(hào)一路經(jīng)信號(hào)限幅后送入MSM6882的AI引腳，另外一路經(jīng)放大、檢波、幅值比較后送

　　入單片機(jī)，以作為載波檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)，可以采取延時(shí)發(fā)送的方式來(lái)避免同頻干擾和信道阻塞。

語(yǔ)音合成芯片XF1M01

　　語(yǔ)音合成芯片 XF1M01通過(guò)異步串口接收待合成的文本，它內(nèi)含GB-2312漢字字庫(kù)，外接單支三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，即可實(shí)現(xiàn)文本到聲音（TTS）的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中音頻輸出通過(guò)功放再送給揚(yáng)聲器，以獲得較大音量，適應(yīng)戶外環(huán)境。只須送給它漢字的內(nèi)碼(即16位二進(jìn)制字符)，即可讀出一字，多送多讀，因此對(duì)存放空間的要求要低，適合電子巡查系統(tǒng)的應(yīng)用。芯片空閑時(shí)Ready端輸出低電平，因此將其連至單片機(jī)P3.2，單片機(jī)即可掃描該引腳，當(dāng)芯片空閑時(shí)就通過(guò)異步串口給它發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸波特率由Baud_0、Baud_1兩個(gè)引腳決定，設(shè)計(jì)中采用的是9600bps。單片機(jī)的P1.1與芯片RESET端相連以控制芯片復(fù)位。

結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式智能移動(dòng)定位終端，經(jīng)過(guò)實(shí)物調(diào)試成功。巧妙利用低成本硬件實(shí)現(xiàn)了GPS的信號(hào)采集、處理、傳輸?shù)鹊墓δ堋ＴO(shè)計(jì)通過(guò)低成本的設(shè)備改良制作出了智能移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)總臺(tái)對(duì)保安位置等信息的掌握，監(jiān)控。本設(shè)計(jì)巧妙地運(yùn)用原有對(duì)講機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字通信媒介，使得成本更低應(yīng)用更方便。另外語(yǔ)音合成文本芯片的運(yùn)用簡(jiǎn)化了硬件的開(kāi)發(fā)。

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