一種物體定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

王亞林 陳楠

（東華理工大學(xué) 江西省南昌市 330013）

近三十年來(lái)，居民生活物品越來(lái)越豐富，最明顯之一是機(jī)動(dòng)車的使用，人們出行速度越來(lái)越快；但是，在享受機(jī)動(dòng)車便捷的同時(shí)，堵車、交通事故也頻繁發(fā)生。為解決這些矛盾，各種監(jiān)測(cè)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中；其將先進(jìn)的信息處理、數(shù)據(jù)通信、電子控制、計(jì)算機(jī)處理等技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位出車輛當(dāng)前位置、速度，一旦出現(xiàn)違規(guī)等狀況時(shí)，做到及時(shí)提醒，將交通監(jiān)測(cè)的人工管理變成對(duì)交通監(jiān)測(cè)的智能化精準(zhǔn)管理，極大降低了安全隱患，給管理部門采集精準(zhǔn)數(shù)據(jù)提供了可靠性、便捷性，大大提高了管理效率。

1 系統(tǒng)框圖與主要模塊電路

1.1 系統(tǒng)框圖

本文設(shè)計(jì)的定位檢測(cè)電路，力求電路系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：監(jiān)測(cè)電路系統(tǒng)框圖

1.2 定位模塊ATGM332D

使用的ATGM332D模塊，首次啟動(dòng)定位的加載周期為32S，完全冷啟動(dòng)捕獲靈敏度為-148dBm，進(jìn)行跟蹤定位（也稱測(cè)速定位）的靈敏度為-162dBm，模塊在本設(shè)計(jì)中的電氣連接通過(guò)單片機(jī)的P3.0、P3.1引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信交互，ATGM332D模塊如圖2所示。

圖2：ATGM332D模塊

1.3 溫濕度DHT11模塊

采用溫濕度模塊DHT11，它是一個(gè)單總線復(fù)合型環(huán)境傳感器，內(nèi)部集成了基于電阻原理的濕度感知單元和NTC溫度感知單元，具有非常精確的環(huán)境溫濕度值獲取、計(jì)算輸出以及解析算法等功能，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)長(zhǎng)期考驗(yàn)后的公平校準(zhǔn)，已成為現(xiàn)今主流的溫濕度檢測(cè)元件之一。

DHT11模塊在設(shè)計(jì)中采用總線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m，可以滿足諸多場(chǎng)景。本設(shè)計(jì)DATD接口和開發(fā)板P1.1相連，溫濕度檢測(cè)電路及實(shí)物圖如圖3所示。

圖3：溫濕度DHT11模塊

將前述模塊全部連接后，搭建的整體硬件電路如圖4所示。

圖4：整體硬件電路

2 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計(jì)

電路運(yùn)行時(shí)，需先初始化電路信息，重新建立單片機(jī)通信時(shí)序，然后解析來(lái)自DHT11的溫度、濕度及ATGM332D的經(jīng)緯度信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)經(jīng)緯度變化計(jì)算速度，最終將信息送至LCD1602屏幕進(jìn)行顯示。因?yàn)長(zhǎng)CD1602每次只能顯示兩行分別16個(gè)字符，因而需要通過(guò)按鍵進(jìn)行翻頁(yè)，需要單片機(jī)判斷有效觸發(fā)并進(jìn)行控制翻頁(yè)操作，主程序流程圖如圖5所示。

圖5：主程序流程圖

3 衛(wèi)星定位及測(cè)速算法設(shè)計(jì)

利用衛(wèi)星對(duì)地球發(fā)出電磁波實(shí)現(xiàn)定位功能。由于電磁波傳輸速度不變，根據(jù)信號(hào)發(fā)射和接收到的時(shí)間差，當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備接收并解析數(shù)據(jù)后，即可獲得衛(wèi)星和定位檢測(cè)設(shè)備之間的距離。一般一個(gè)定位的過(guò)程由多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的計(jì)算組成，利用多顆衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間得出多個(gè)時(shí)間差計(jì)算出多個(gè)距離，可以列出一組方程，方程需要解析4個(gè)參量：即定位設(shè)備的（X,Y,Z）三維坐標(biāo)，以及本地時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間差，多衛(wèi)星定位參數(shù)獲取模型示意圖6所示。

圖6：多衛(wèi)星定位參數(shù)獲取模型示意圖

R為三維坐標(biāo)函數(shù)，衛(wèi)星發(fā)送信息也是以報(bào)文的形式進(jìn)行，三個(gè)參量的差值分別來(lái)源于3顆衛(wèi)星的最近一次和最新一次兩者之間的報(bào)文數(shù)據(jù)差，通過(guò)插值計(jì)算實(shí)現(xiàn)地理經(jīng)緯度分析輸出。由于衛(wèi)星與地面的通信屬于超遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，每隔6秒會(huì)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包，包含有“數(shù)據(jù)位、CA碼序列、載波波形”參數(shù)，通過(guò)衛(wèi)星的有源天線將數(shù)據(jù)包以電磁波形式發(fā)射到地表。地表的終端、車載設(shè)備等持續(xù)鎖定衛(wèi)星信號(hào)并不斷接受數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。在解算的過(guò)程中，需要計(jì)算每顆衛(wèi)星當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間戳（最近一次收到的時(shí)間戳加最新報(bào)文的時(shí)間偏移量），然后根據(jù)數(shù)據(jù)形式公式進(jìn)行位置數(shù)據(jù)計(jì)算和輸出。

表1：$GPRMC數(shù)據(jù)格式

表2：$GPVTG數(shù)據(jù)格式

表3：經(jīng)緯度測(cè)試值及對(duì)照值

4 數(shù)據(jù)的提取與換算

串口緩存數(shù)據(jù)如圖7所示，開始提取方框中的數(shù)據(jù)，說(shuō)明如下：

圖7：串口緩存數(shù)據(jù)

（1）日期轉(zhuǎn)換：

提取數(shù)據(jù)：020513 顯示數(shù)據(jù)：2012-05-13

（2）速度轉(zhuǎn)換：

提取數(shù)據(jù)：0.095 km/h 顯示數(shù)據(jù)：0.095 km/h

（3）時(shí)間轉(zhuǎn)換：

提取數(shù)據(jù)：045223.00（UTC時(shí)間） 顯示數(shù)據(jù)：12:52:23（北京時(shí)間）

北京時(shí)間=UTC時(shí)間+8小時(shí)

（4）經(jīng)緯度數(shù)據(jù)：

提取數(shù)據(jù)：3017.93607 N，12022.88352 E 顯示數(shù)據(jù)：3017.93607 N，12022.88352 E

（5）真實(shí)經(jīng)緯度格式：將其轉(zhuǎn)化為度（°）分（′）秒（″）

得$GPRMC數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如表1，

//$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

得$GPVTG數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如表2所示。

6 結(jié)果測(cè)試

6.1 經(jīng)緯度測(cè)試

在系統(tǒng)上電后，首先定位模塊需要三十秒左右的預(yù)熱，進(jìn)行搜索衛(wèi)星信號(hào)、校準(zhǔn)位置參數(shù)等準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。這個(gè)部分的測(cè)試，我們需要以手機(jī)端獲得的經(jīng)緯度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比得知準(zhǔn)確度，分別如圖8-圖9所示。

圖8：手機(jī)端經(jīng)緯度

圖9：電路測(cè)試經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

準(zhǔn)確度測(cè)試需要多次測(cè)量，得出最終結(jié)果，如表3所示。

6.2 實(shí)時(shí)速度測(cè)試

以步行、自行車、電動(dòng)車進(jìn)行測(cè)試，速度分別控制在1.2米/秒、3米/秒、5米/秒，LCD顯示屏顯示結(jié)果如圖10所示，各種不同物體，所測(cè)值如表4所示。

圖10：速度顯示

表4：實(shí)時(shí)測(cè)速測(cè)試

6.3 溫濕度測(cè)試

分3次測(cè)量溫濕度數(shù)據(jù)，用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)值與設(shè)計(jì)電路對(duì)比，結(jié)果顯示如圖11所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

圖11：系統(tǒng)端溫濕度顯示

表5：溫濕度檢測(cè)值

7 結(jié)論

經(jīng)過(guò)調(diào)試和測(cè)試，該電路基本可以平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)對(duì)物體經(jīng)緯度、溫濕度、速度的檢測(cè)功能。但仍存在著一些不足，

（1）LCD分辨率較低，顯示的字體有大小限制。

（2）本系統(tǒng)的整體集成度不夠。因此主控芯片在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，計(jì)算量較大、功耗較高，容易造成系統(tǒng)靈敏度低、信息延遲等現(xiàn)象。