基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位應(yīng)用研究

張遠(yuǎn)海，翁佩純

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院　廣東 中山528436；2.電子科技大學(xué)　中山學(xué)院，廣東 中山528400）

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位應(yīng)用研究

張遠(yuǎn)海1，翁佩純2

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東 中山528436；2.電子科技大學(xué)中山學(xué)院，廣東 中山528400）

針對(duì)使用北斗進(jìn)行人員定位管理的目的，采用北斗GPS雙模定位模塊UM220獲得北斗和GPS定位信息，通過兩種定位信息優(yōu)化定位精度，通過四頻GPRS模塊SIM800H的基站定位功能輔助定位，并將獲得的定位信息進(jìn)行傳送和通信，從而實(shí)現(xiàn)人員的定位管理。采用模塊化設(shè)計(jì)體積小巧、功耗低，采用北斗GPS兩種定位優(yōu)化定位精度可達(dá)2.0 m。

北斗；SIM800H；定位；UM220

北斗-2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用獨(dú)特的混合星座模式，由地球靜止軌道衛(wèi)星傾斜地球同步軌道中地球軌道衛(wèi)星組成。2007年4月13日，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的首顆中高度圓軌衛(wèi)星MEO（Compass—M1）衛(wèi)星成功發(fā)射［1］。2012年12月27日，“北斗II代”系統(tǒng)開始向亞太大部分地區(qū)提供正式服務(wù)，預(yù)計(jì)在2020年前再發(fā)射30多顆衛(wèi)星，組成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。目前已有4顆導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星以及16顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射完成。2013年12月27日，《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（2.0版）》和《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》正式發(fā)布，使北斗系統(tǒng)成為世界上首個(gè)擁有兩個(gè)公開服務(wù)頻點(diǎn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度優(yōu)于10米。隨著北斗系統(tǒng)第二個(gè)民用信號(hào)B2I以及北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件2.0版的發(fā)布，國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)據(jù)此開發(fā)了北斗雙頻高精度接收機(jī)，使用戶享受到精度更高的導(dǎo)航服務(wù)。

GPS全球定位系統(tǒng) （Global Positioning System）是美國(guó)于1995年4月建成并投入使用的，是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)［3］。本文研究基于北斗GPS雙模定位模塊UM220的人員定位應(yīng)用，探討基于兩種定位信息優(yōu)化定位精度。多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合是未來發(fā)展趨勢(shì)［4］。充分利用兩種導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高目標(biāo)定位的精度［5］。同時(shí)通過四頻GPRS模塊SIM800H的基站定位功能輔助定位，并將獲得的定位信息進(jìn)行傳送和通信，從而實(shí)現(xiàn)人員的定位管理。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位終端的原理框圖如圖1所示：CPU模塊采用ARM CORTEX M0系列的STM8芯片，其具有高性價(jià)比、低功耗的特點(diǎn)。CPU模塊與北斗GPS模塊UM220之間通過串口通信，接收北斗GPS模塊UM220傳來的定位數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。CPU模塊與四頻GPRS模塊SIM800H之間也是通過串口通信，CPU模塊通過SIM800H的短信或GPRS數(shù)據(jù)功能與管理端通信?？紤]到人員定位終端的便攜性，終端使用鋰電池供電。同時(shí)SIM800H模塊具有藍(lán)牙功能，這樣可以配對(duì)智能手機(jī)等智能設(shè)備對(duì)定位終端進(jìn)行管理。定位終端也可以配備傳感器模塊，可以對(duì)人員的心率等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖1　GPS/北斗雙模人員定位終端系統(tǒng)框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位終端的主硬件原理圖如圖2所示?？紤]到北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H和CPU模塊之間都是通過串口通信，系統(tǒng)采用了ARM Cortex-M0系列stm8雙串口的STM8S007芯片作為主控芯片。STM8S007具有20 MIPS@24 MHz、64 Kbytes Flash、6Kbytes RAM、128 bytes true data EEPROM、10-bit ADC、timers、2 UARTs、SPI、I2C等豐富資源。支持寬電壓2.95～5.5 V工作。功耗低，運(yùn)行模式電流也只有幾個(gè)毫安，低功耗模式可以低到幾個(gè)微安。

圖2　GPS/北斗雙模人員定位終端原理圖

北斗GPS模塊UM220主模塊采用的是和芯星通公司的UM220模塊，目前已經(jīng)是第IIIN系列。UM220-III NL是和芯星通針對(duì)車載后裝包括導(dǎo)航、監(jiān)控應(yīng)用推出的BDS/GPS雙模定位模塊。UM220-III N是UM220III NL系列模塊的第三代產(chǎn)品，采用和芯星通完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低功耗 GNSS SoC芯片——HumbirdTM，是目前市場(chǎng)上尺寸最小的完全國(guó)產(chǎn)化的BDS/GPS模塊，集成度高、易于應(yīng)用，非常適合對(duì)成本要求高的GNSS規(guī)模應(yīng)用。北斗GPS模塊UM220模塊能夠同時(shí)支持BD2B1、GPSL1兩個(gè)頻點(diǎn)，駐波比小于等于1.5，天線增益15～30 dB。北斗GPS模塊UM220定位精度可以達(dá)到2.5mCEP（雙系統(tǒng)水平）和2.0 m CEP（SBAS水平），測(cè)速精度為0.1 m/s （GNSS/GPS），工作頻率為BDS B1和GPS L1（1 559～1 577 MHz）。北斗GPS模塊UM220模塊定位模式可以是單系統(tǒng)獨(dú)立定位，也可以多系統(tǒng)聯(lián)合定位。多系統(tǒng)聯(lián)合定位的精度優(yōu)于單系統(tǒng)獨(dú)立定位。北斗GPS模塊UM220首次定位時(shí)間（TTFF）為：冷啟動(dòng)30 s，熱啟動(dòng)1 s。工作電壓：3～3.6 V。外觀尺寸為30×40×4（mm）［6］。如圖2所示北斗GPS模塊UM220通過串口與STM8S007的UART1進(jìn)行定位信息的通信。

SIM800H模塊是芯訊通無線科技有限公司的一款四頻GSM/GPRS模塊。SIM800H模塊工作頻率為GSM/GPRS 850/ 900/1800/1900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、短信和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800H尺寸為15.8×17.8×2.4（mm），能適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。同時(shí)SIM800H模塊支持藍(lán)牙功能，可以通過藍(lán)牙與外部通信。SIM800H模塊也支持Embedded AT指令，方便用戶交互操作。SIM800H模塊采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在休眠模式下耗電流低至700微安。GPRS數(shù)據(jù)上下行傳輸速率高達(dá) 85.6 kbps，支持標(biāo)準(zhǔn)的全功能串口，可以通過串口使用AT命令進(jìn)行交互操作和數(shù)據(jù)傳輸。SIM800H模塊可以使用 “AT+CFUN”命令把模塊配置成最小功能模式。在這種情況下，SIM800H模塊的視頻部分或者SIM卡部分不工作，或者視頻部分和SIM卡部分都不工作，但串口仍可以使用，此時(shí)功耗非常低。SIM800H模塊的工作電壓是3.4 V到4.4 V。模塊以最大功率發(fā)射時(shí)，電流峰值瞬間最高可達(dá)到2 A，從而導(dǎo)致在電源電壓上有較大的電壓跌落。如圖2所示在硬件設(shè)計(jì)時(shí)候靠近電源使用一個(gè)47 μF鉭電容（C6）并聯(lián)一個(gè)1μF的陶瓷電容（C5）穩(wěn)壓，同時(shí)并聯(lián)的一個(gè)33PF（C8）和10PF（C7）電容去除高頻干擾。SIM800H模塊通過串口與STM8S007的UART3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3　軟件設(shè)計(jì)

基于北斗GPS模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的人員定位終端軟件流程如圖3所示。

CPU模塊初始化完成后通過串口UART1與北斗GPS模塊UM220通信，它們之間的通信采用NEMA-018 3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，每條消息均為全ASCII字符組成的字符串。消息的基本格式為：$MSGNAME,data1,data2,data3,…［*CC］ 所有的消息都以'$'（0x24）開始，后面緊跟著的是消息名。之后跟有不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)。消息名與數(shù)據(jù)之間均以逗號(hào)（0x2C）進(jìn)行分隔。最后一個(gè)參數(shù)之后是可選的校驗(yàn)和，以'*'（0x2A）與前面的數(shù)據(jù)分割。最后，輸入的消息可以以' '（0x0D）或' ' （0x0A）或兩者的任意組合結(jié)束。輸出的消息以" "結(jié)束。每條消息的總長(zhǎng)度不超過256個(gè)字節(jié)。消息名和參數(shù)、校驗(yàn)和中的字母均不區(qū)分大小寫。模塊利用了協(xié)議的$GPGLL語句，語句格式：$--GLL,Lat,N,Lon,E,time,Valid,Mode*cs，例 如 ：$GPGLL,4002.217867,N,11618.105743,E,123400.000,A,A*5B。其中：“--”為定位系統(tǒng)標(biāo)識(shí)，GP表示GPS系統(tǒng)單獨(dú)定位，BD表示北斗系統(tǒng)單獨(dú)定位，GN表示GPS與北斗系統(tǒng)混合定位；“Lat”為緯度信息，格式為ddmm.mmmmmm；“N”為南北緯標(biāo)示，N表示北緯，S表示南緯；“Lon”表示經(jīng)度，格式為dddmm. mmmmmm；“E”為東西經(jīng)標(biāo)示，E表示東經(jīng)，W 表示西經(jīng)；“time”為UTC時(shí)間，格式為hhmmss.sss；“Valid”為位置有效標(biāo)識(shí)，V表示無效，A表示有效；“Mode”為定位模式標(biāo)示，V表示無效，A表示有效；“cs”為校驗(yàn)和，是本條語句從'$'到'*'之間的所有字符進(jìn)行異或得到的16進(jìn)制數(shù)。CPU模塊接收到有效的定位信息后根據(jù)用戶設(shè)置確定是否通過SIM800H模塊將定位信息對(duì)外發(fā)送。

圖3　程序流程圖

CPU模塊通過串口UART3與SIM800H模塊通信，它們之間的通信采用AT指令。指令都以AT開始，發(fā)送文本短信的指令流程為：CPU模塊通過串口UART3發(fā) “AT+CMGS=？”，SIM800H模塊返回“OK”表示測(cè)試正常。CPU模塊通過串口UART3發(fā)“AT++CMGF=1”或者“AT++CMGF=0”設(shè)置發(fā)送短信為TXT模式或者PDU模式，TXT模式只能發(fā)送英文字符，SIM800H模塊返回“OK”表示設(shè)置成功。TXT模式下CPU模塊通過串口UART3發(fā) “AT+CMGS=［,］text is entered”進(jìn)行短信發(fā)送，例如串口UART3發(fā)：AT+CMGS=”136XXXXXXXX”

>text is entered

+CMGS:41

SIM800H模塊返回“OK”表示信息發(fā)送成功。SIM800H模塊還可以基站定位獲取經(jīng)緯度和日期時(shí)間等信息。CPU模塊通過串口UART3發(fā) “AT+CIPGSMLOC=,”，如果< type>=1，SIM800H模塊返回：

+CIPGSMLOC:［,,,< date>,］

OK

如果=2，SIM800H模塊返回：

+CIPGSMLOC:［,,］

OK

其中l(wèi)ongitude為經(jīng)度信息，latitude為緯度信息，date為日期信息，time為UTC時(shí)間。SIM800H模塊的基站定位信息可以作為北斗GPS定位信息的輔助信息來提高定位的可靠性。

4　結(jié)束語

本文研究基于北斗GPS雙模定位模塊UM220和四頻GPRS模塊SIM800H的的人員定位應(yīng)用，以UM220模塊的北斗GPS雙模定位輔以SIM800H模塊的基站定位提升了定位的可靠性。設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)，體積小巧，功耗低適合作為人員定位使用。

［1］劉永明，張?jiān)?，袁?guó)良.GPS/北斗一2組合定位性能的研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（14）：121-123.

［2］童偉.基于北斗II代/GPS的電力系統(tǒng)雙模時(shí)間同步時(shí)鐘的研制［J］.電力建設(shè)，2014，35（4）：81-85.

［3］劉俊池，李洪文，鄧永停.北斗/GPS接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（11）：67-70.

［4］李庚祿,林福民,林智凱,等.北斗二代和GPS聯(lián)合導(dǎo)航的雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)［J］.信息通信，2012（4）：12-13.

［5］于露，王警警.GPS一北斗雙模目標(biāo)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011（14）：192-193.

［6］懷洋，邵瓊玲，路振民.北斗/GPS混合定位模塊UM220應(yīng)用研究［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（3）：76-79.

Application research of UM220 Beidou/GPS module and SIM800H GPRS module

ZHANG Yuan-hai1，WENG Pei-chun2
（1.Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan 528436，China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Zhongshan Institute，Zhongshan 528400，China）

For the purpose of using the Beidou positioning of personnel management,the use of dual-mode GPS positioning module UM220 Compass Compass and GPS positioning information obtained,optimizing location accuracy by two positioning information,by quad-band GPRS module SIM800H base station positioning assisted positioning,and the obtained Location information for transmission and communication,in order to achieve localization managers.The modular design of compact,low power consumption,the use of two Beidou GPS positioning optimization positioning accuracy up to 2.0 meters.

Beidou；SIM800H；location；UM220

TP-216

A

1674－6236（2016）13-0107-03

2015-09-01稿件編號(hào)：201509002

中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013A3FC0310）；中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （2014A2FC264）；電子科技大學(xué)中山學(xué)院青年基金（41 4YJ04）

張遠(yuǎn)海（1978—），男，黑龍江牡丹江人，工程師。研究方向：通信技術(shù)。