基于gsm-gps模块的传感器信息远程监测系统设计

基于gsm-gps模块的传感器信息远程监测系统设计内容摘要：

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 2020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 第 4 页 共 81 页 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。 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 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： GPS 技术的发展 与应用 ； GSM/GPRS 技术的发展与应用 ； MSP430 单片机 的工作电路 设计 ； NEO5Q GPS 模块 的工作电路设计 ； SIM900 模块的 工作电路的设计 ； PCB 板，并且焊接实物。 制程序 ；。 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 5 页 共 81 页 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 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 是 信息监测 系统的示意图。 第 6 页 共 81 页 G S M 网 络远 程 信 息 监 测 系 统S a t e l l i t eS a t e l l i t e目 标 手 机 图 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 为系统整体结构框图。 G P S 模 块控 制 单 元G S M 模 块电 源 模 块G P S卫 星G S M网 络目 标 手 机 图 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： 第 7 页 共 81 页 （ 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。 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： 20176。 C 至 +60176。 C； f、工作电压： ~； 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，； GPS 相关知识 介绍 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 万千米 的卫星组成卫星星座。 21+3 第 8 页 共 81 页 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 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 卫星图 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 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 第 9 页 共 81 页 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 GPS 接收机电路模块 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 [9][10] GPS 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WGS84 地心坐标系 (GPS 卫星的参考系 )中的绝对位置。 这一位置在 WGS84 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 所示。 第 10 页 共 81 页 图 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 WGS84 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 所示。 图 GPS 相对定位原理图 第 11 页 共 81 页 GPS 数据格式 NMEA 0183[13]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 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。 NMEA0183 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 , CR/LF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 CR和换行符 LF)，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,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*xxCRLF $GPGGA：起始引导符及语句格式说明 (本句为 GPS 定位数据 )； 1 UTC 时间，格式为 ； 2 纬度，格式为 (第一位是零也将传送 )； 3 纬度半球， N 或 S(北纬或南纬 ) 4 经度，格式为 (第一位零也将传送 )； 5 经度半球， E 或 W(东经或西经 ) 6 定位质量指示， 0=定位无效， 1=定位有效； 7 使用卫星数量，从 00 到 12(第一个零也将传送 ) 8 水平精确度， 到 第 12 页 共 81 页 9 天线离海平面的高度， 到 米 M 指单位米 10 大地水准面高度， 到 米 M 指单位米 11 差分 GPS 数据期限 (RTCM SC104)，最后设立 RTCM 传送的秒数量 12 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 CR 回车 LF 换行 GSM 相关知识 介绍 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。