基于GPS與GSM技術(shù)的幼兒園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

付軍偉 朱一群 周玲 上海電機學(xué)院 上海 200240

0、引言

最近幾年以來，校車事故和幼兒園意外傷害事故頻頻發(fā)生，使幼兒們的安全問題引起了全社會關(guān)注。由于幼兒們身心各方面尚未發(fā)展成熟而需要給予一定的安全防護措施和照顧，因此本文開發(fā)了一種幼兒全程監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)應(yīng)用GPS全球定位技術(shù)和GSM無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，使家長能夠跟蹤孩子的行蹤，并且當(dāng)孩子到達(dá)幼兒園時，家長就會收到一條由系統(tǒng)發(fā)送的“平安短信”。

1、GPS與GSM技術(shù)原理

1.1、GPS全球定位技術(shù)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是20世紀(jì)70年代由美國陸、海、空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

GPS模塊的幾個重要指標(biāo)：

（1）衛(wèi)星軌跡

全球有24顆GPS衛(wèi)星沿6條軌道繞地球運行(每4個一組)，GPS接收模塊就是靠接收這些衛(wèi)星來進行定位的。大多數(shù)GPS接收器可以追蹤8～12顆衛(wèi)星。計算2維坐標(biāo)至少需要3顆衛(wèi)星，4顆衛(wèi)星可以計算3維坐標(biāo)。

（2）并行通道

由于最多可能有12顆衛(wèi)星是可見的，GPS接收器必須按順序訪問每一顆衛(wèi)星來獲取每顆衛(wèi)星的信息，所以市面上的GPS接收器大多數(shù)是12并行通道型的，這允許它們連續(xù)追蹤每一顆衛(wèi)星的信息。

（3）定位時間

定位時間是指重啟GPS接收器時，確定現(xiàn)在位置所需的時間。對于12通道接收器，冷啟動時的定位時間一般為3～5min，熱啟動時為15～30s。

（4）定位精度

普通GPS接收器水平位置定位精度在5～10m內(nèi)。

本系統(tǒng)選用的是臺灣生產(chǎn)的HOLUXM-89 GPS模塊，并為其配備了PCB板，以方便與單片機進行連接。該模塊有并行32通道；L1 1575.42MHz ；C/A碼為1.023MHZ碼片速率；跟蹤靈敏度：-159dB；定位精度：10米（2DRMS）1-5米（DGPS）；速度精度：0.1米/秒；時間精度：1ms。

數(shù)據(jù)傳輸特性：1個全雙工串行TTL接口；標(biāo)準(zhǔn)的9600bit/s數(shù)據(jù)傳輸速率；數(shù)據(jù)傳輸格式：SiRF二進制和NMEA-0183(v3.01)-GGA,GLL,GSA,GSV,RMC,VTG；DGPS協(xié)議：RTCM SC-104，類型1，2和9；脈沖延時為100ms。

電氣特性：輸入電壓：3.3～5V DC；后備電源：直流3V；輸入電流：80mA。

1.2、GSM無線傳輸技術(shù)

GSM是全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile communications)的簡稱。GSM是一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也就是說移動電話要連接到它能搜索到的最近的蜂窩單元區(qū)域。中國GSM900使用的頻率GSM900:上行(MHz)905-915；下行(MHz)950-960。

本文GSM模塊選用西門子公司的TC35，在應(yīng)用系統(tǒng)中很容易集成，具有如下特點：

（1）頻段為雙頻GSM 900 MHz和GSM 1800 MHz；

（2）支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真；

（3）電源范圍寬；

（4）具有RS 232接口和語音接口。

電路連接簡單，單片機的串行接口通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202與TC35的串口相連，采用異步串行通信。

2、基于GPS與GSM技術(shù)的幼兒監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成，它們分別是GPS跟蹤定位系統(tǒng)和GSM刷卡確認(rèn)“平安短信”系統(tǒng)，如圖1所示。

基于GPS技術(shù)的跟蹤定位系統(tǒng)的工作過程是：幼兒攜帶智能卡從家中登上幼兒園校車，智能卡的GPS模塊接收衛(wèi)星的信息并通過GSM模塊向家長發(fā)送孩子的當(dāng)前地理位置。假如不幸發(fā)生意外，如校車被不法分子劫持，利用跟蹤定位功能還可以為警察提供重要線索。

基于GSM的刷卡確認(rèn)“平安短信”系統(tǒng)的工作過程是：幼兒乘到達(dá)幼兒園，刷智能卡，聽見“嘀”一聲，刷卡機內(nèi)部單片機讀取智能卡ID號，并通過GSM模塊向與智能卡ID號對應(yīng)的家長手機號碼發(fā)送“平安短信”。

圖1 幼兒監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.1、基于GSM刷卡確認(rèn)“平安短信”系統(tǒng)

2.1.1、刷卡讀取ID號

本系統(tǒng)采用STC12C5A32S2高速單片機和MFRC500芯片的射頻讀寫器共同組成刷卡識別系統(tǒng)，完成單片機讀取智能卡ID號的功能。

射頻讀寫系統(tǒng)基本原理如下：讀寫器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路頻率與讀寫器發(fā)射頻率相同。在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或存取讀寫器的數(shù)據(jù)。

2.1.2、發(fā)送“平安短信”

GSM引擎模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范GSM07.07中定義的AT Command接口；在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以向GSM模塊發(fā)送各種命令。與SMS有關(guān)的GSM AT指令如表1所示。

表1 與SMS有關(guān)的AT命令

利用GSM的AT指令進行短消息的發(fā)送和接收步驟如下:

（1）設(shè)置短消息服務(wù)中心號碼

AT+CSCA=“+8613800250500”(短消息中心號碼)；

（2）設(shè)置短消息的格式

AT+CMGF=1或0（1:文本格式，0:PDU格式）；

（3）發(fā)送短消息(短消息內(nèi)容為TEST)：

AT+CMGS=“13594120635”＞TEST ctrl+z；

（4）設(shè)置收到新的短消息后自動提示

AT+CNMI=1,1,0,0,1；當(dāng)收到新的短消息，將會獲得以下的提示指令：+CMTI:“SM”,INDEX（新短消息的存儲的索引號）。

發(fā)送中文則要采用PDU串，例如將信息發(fā)送到13594120635，發(fā)送：SMSC號碼是+8613800250500，對方號碼是13594120635，消息內(nèi)容是“媽媽（爸爸），我順利到達(dá)幼兒園，您請放心！您的好孩子：某某。”

2.2、基于GPS技術(shù)的跟蹤定位系統(tǒng)

HOLUXM-89 GPS模塊安裝在一塊PCB板上，板上引出有6針間距為2.54mm的插針，可方便地與單片機STC12C5A32S2進行連接，GPS模塊各插針管腳功能及其與單片機的連接方法如下：

2腳：指示燈，通電常亮，接收到衛(wèi)星開始閃爍。

2腳：外部復(fù)位輸入，可不接。

3腳：模塊串口數(shù)據(jù)輸出，接單片機STC12C5A3 2S2的RXD腳（P3.0腳）。

4腳：模塊串口數(shù)據(jù)輸入。接單片機STC12C5A3 2S2的TXD腳（P3.1腳）。

5腳：GND。

6腳：電源輸入，電壓范圍：3.3-5V。

工作過程：連線無誤后，單片機每隔一定時間從模塊讀取數(shù)據(jù)，通過GSM網(wǎng)向發(fā)家長手機發(fā)送。

3、結(jié)束語

經(jīng)過論證，基于GSM與GPS技術(shù)的幼兒智能跟蹤系統(tǒng)不僅能夠為家長發(fā)送一條“平安短信”報平安，而且還可以突破通信距離的限制，使家長及時了解孩子的行蹤。此外本系統(tǒng)利用刷卡識別ID號技術(shù)對幼兒身份進行識別，有效的保證了“平安短信”的準(zhǔn)確性，達(dá)到家長的要求。該系統(tǒng)安裝簡單，功能強，便于應(yīng)用，易于推廣。

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