基于射頻通信的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王行娟，楊 奎

（武漢華夏理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）

基于射頻通信的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王行娟，楊 奎

（武漢華夏理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）

射頻技術(shù)和GPS定位技術(shù)在現(xiàn)如今人們的生活中應(yīng)用廣泛。文章對基于射頻通信的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，研究對象包括基于STC12C5A60S2單片機(jī)的小車、GPS數(shù)據(jù)采集及解析、射頻通信。小車可以將自己的位置信息通過射頻模塊傳給附近的小車，然后將信息反饋到控制中心，從而提高控制中心的管理水平。

GPS；定位；射頻通信；STC12C5A60S2

全球定位系統(tǒng)（Golobal Positioning System，GPS）是一種廣泛使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，隨著社會(huì)信息化的日益發(fā)展，GPS的應(yīng)用已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，其發(fā)展方向是監(jiān)控跟蹤及導(dǎo)航相結(jié)合，其長遠(yuǎn)發(fā)展則是導(dǎo)航、測量、線路勘測、智能交通、通信等[1]。

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identi fi cation，RFID）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。RFID技術(shù)有廣泛的應(yīng)用，包括身份識(shí)別、防偽應(yīng)用、ETC高速收費(fèi)等[2]。

本文提出的射頻通信定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，是基于單片機(jī)STC12C5A60S2的簡易定位系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)將小車的位置信息通過射頻模塊傳輸至終端設(shè)備上。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為小車主控模塊，GPS數(shù)據(jù)采集模塊，無線收發(fā)模塊。小車核心處理器采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)，GPS數(shù)據(jù)采集模塊選用的是Gstar GS-87模塊，無線收發(fā)模塊采用NRF24L01無線收發(fā)芯片組。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。STC單片機(jī)對GPS模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過串口發(fā)送至射頻模塊進(jìn)行發(fā)射，射頻接收模塊接收到數(shù)據(jù)給小車B，再將數(shù)據(jù)通過串口傳給電腦終端進(jìn)行顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 小車主控電路設(shè)計(jì)

小車主控電路主要包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路這幾部分。時(shí)鐘電路是單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘控制信號(hào)，常采用 1.2～12 MHz 的振蕩頻率。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，想要復(fù)位時(shí)只需要在單片機(jī)的復(fù)位引腳加上大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平，除了在系統(tǒng)的正常初始化情況之外，在程序運(yùn)行過程中出錯(cuò)或由操作錯(cuò)誤導(dǎo)致的系統(tǒng)處于死機(jī)狀態(tài)，為擺脫這種不良狀態(tài)，這時(shí)也可以使用復(fù)位功能[3]。

2.2 射頻通信模塊電路設(shè)計(jì)

射頻通信模塊電路設(shè)計(jì)選用NRF24L01射頻芯片，其引腳功能及描述如下[4]。

VCC：電源輸入端，電壓范圍為：1.9～3.6 V。CE：芯片模式控制線。

SCK：SPI輸出的時(shí)序信號(hào)線。

IRQ：中斷標(biāo)志位，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ引腳會(huì)輸出低電平。

MOSI：SPI串行輸入。MISO：SPI串行輸出。

CSN：SPI片選使能，低電平使能。

射頻通信模塊電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 射頻通信電路原理

GPS數(shù)據(jù)采集模塊采用的是GS-87模塊，模塊上的外接端口有4個(gè)：RXD，TXD，GND，VCC，4個(gè)接口中RXD和TXD是直接連接主控電路中的串行端口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

對于用作發(fā)射的小車A來說，首先是IO口初始化和波特率的設(shè)置，再調(diào)用GPS數(shù)據(jù)解析的函數(shù)，通過射頻模塊進(jìn)行發(fā)射，發(fā)送流程總體設(shè)計(jì)如圖3（a）所示。對于用作接收的小車B來說，進(jìn)行IO口和波特率初始化之后需要把射頻模式改成接收模式，然后調(diào)用發(fā)送字節(jié)到終端這個(gè)函數(shù)，就可以把數(shù)據(jù)傳送給終端了，接收流程總體設(shè)計(jì)如圖3（b）所示。

3.2 GPS數(shù)據(jù)采集解析軟件設(shè)計(jì)

首先判斷幀頭“$”以及開始的5個(gè)英文字符，只有當(dāng)接收到這些后才能進(jìn)入數(shù)據(jù)解析過程，接收到含有日期、經(jīng)緯度、衛(wèi)星個(gè)數(shù)的字符串開始進(jìn)入解析，解析的過程中采用的算法是簡單的按位進(jìn)行計(jì)算。此次解析的過程依次是緯度、經(jīng)度、日期，解析完之后把數(shù)據(jù)存在相應(yīng)的數(shù)組中，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.3 射頻通信無線發(fā)射、接收模塊軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射模塊，先進(jìn)行串口和NRF24L01的初始化和IO口的初始化，在接收之前設(shè)置了一個(gè)射頻模塊是否跟小車連接成功的子程序，當(dāng)連接成功，復(fù)位小車時(shí)會(huì)顯示startY，否則顯示startN，只有連接成功才能正確發(fā)送數(shù)據(jù)。再把數(shù)據(jù)給NRF24L01_TxPacket這個(gè)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

接收模塊，先進(jìn)行串口和NRF24L01的初始化，測試程序跟發(fā)送端一樣，只需要把數(shù)據(jù)通過NRF24L01_RxPacket這個(gè)函數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后用SEND_BUF這個(gè)發(fā)送函數(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送給終端就行了。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)基于射頻通信的GPS定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有涉及知識(shí)廣泛，實(shí)際應(yīng)用方便，人機(jī)交互簡單有趣，采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，實(shí)用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代，智能是我們一直追求的目標(biāo)，射頻模塊就是智能家居的一個(gè)最基本的技術(shù)要求，低功耗、高數(shù)據(jù)傳輸、方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，都給它帶來了無限的發(fā)展空間，能夠滿足現(xiàn)代社會(huì)實(shí)際的應(yīng)用需求，具有很大的市場潛在價(jià)值。本文對GPS數(shù)據(jù)采集與解析、NRF24L01射頻通信等做了深入的研究，完成了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)并順利通過了系統(tǒng)測試。

圖3 流程總體設(shè)計(jì)

[1] 梁久幀.無線定位系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 朱巖，張雪英.基于NRF24L01的車載GPS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2011（6）：34-37.

[3] 甘泉，李陽，許代代.基于nRF24L01的智能公交報(bào)站系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2015（4）：69-72.

[4] 張光南.基于嵌入式技術(shù)的貨車車載終端設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014（15）：21-22.

Design of GPS positioning system based on radio frequency communication

Wang Xingjuan, Yang Kui
（Information Engineering School of Wuhan Huaxia University of Technology, Wuhan 430223, China）

The radio frequency technology and GPS positioning technology are widely used in people’s daily lives. This paper studies the design of GPS positioning system based on radio frequency communication. The research object includes the car based on STC12C5A60S2 microcontroller, GPS data acquisition and analysis, radio frequency communication. The car can pass on its own position information to the nearby car through the radio frequency module, and then feedback the information to the control center, so as to improve the management level of the control center.

GPS; positioning; radio frequency communication; STC12C5A60S2

2016年度湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)+的物體狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；項(xiàng)目編號(hào)：B2016407。

王行娟（1981— ），女，湖北武漢人，講師，碩士；研究方向：通信與信息系統(tǒng)。