基于Arduino的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)凱龍，王 泉，劉海亮，董和磊

（1.中國(guó)兵器工業(yè)第二一四研究所，江蘇 蘇州 215010；2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，定位系統(tǒng)對(duì)人們的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了很大的影響，它已經(jīng)走進(jìn)每一個(gè)人的生活。定位系統(tǒng)重新定義了旅游業(yè)、物流行業(yè)以及眾多與生活息息相關(guān)的行業(yè)。本文主要研究用于尋找失蹤人口和野外探險(xiǎn)緊急求救的定位系統(tǒng)。

我國(guó)每年有大量失蹤人口，其中大多數(shù)為生活不能自理的老人和兒童。如何在失蹤后的黃金24小時(shí)內(nèi)尋找到失蹤人口成為一個(gè)社會(huì)難題。如果有完備且使用簡(jiǎn)單的定位系統(tǒng)，可以在發(fā)現(xiàn)人口失蹤的第一時(shí)間通過(guò)定位鎖定大概位置，逐步縮小尋找范圍，最后找到失蹤人口[1-3]。

定位系統(tǒng)一般由空間部分、地面部分及用戶部分3部分組成?？臻g部分由環(huán)繞地球的衛(wèi)星組成。衛(wèi)星的分布使得需要被定位的物體在任何時(shí)間都能被至少4顆衛(wèi)星觀測(cè)到。常見(jiàn)的衛(wèi)星有我國(guó)的北斗衛(wèi)星和美國(guó)的GPS等。地面部分主要由控制站和監(jiān)測(cè)站組成?？刂普究刂菩l(wèi)星沿著規(guī)定軌道運(yùn)行，監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)各衛(wèi)星的各自時(shí)間。它們共同保障空間部分的正常運(yùn)行，連接空間部分和用戶部分。用戶部分主要是用戶使用接收機(jī)接收數(shù)據(jù)，導(dǎo)航儀就是典型的接收機(jī)。隨著科技的發(fā)展，更精確的硬件、更人性化的軟件以及數(shù)據(jù)更精確的地圖會(huì)使定位系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)變得更好[4]。

1 整體設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

本文研究的主要內(nèi)容是基于嵌入式Arduino的定位系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。GPS天線可以使GPS模塊收集到衛(wèi)星信號(hào)；GPS模塊獲取衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，解析出重要參數(shù)，如經(jīng)度、緯度及時(shí)間信息；通過(guò)單片機(jī)控制GPRS模塊將解析過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器；GPRS模塊需要插入SIM卡；服務(wù)器中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通過(guò)高德地圖或者百度地圖的開(kāi)源接口，從地圖中獲取到較直觀的地理位置，進(jìn)而完成對(duì)位置的小范圍鎖定[5-7]。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 GPS模塊工作原理

GPS定位系統(tǒng)由21顆工作衛(wèi)星組成（北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由55顆衛(wèi)星組成）。含有GPS模塊的接收機(jī)在任意地方和時(shí)間都可以觀測(cè)到4顆及以上的衛(wèi)星，通過(guò)計(jì)算已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，觀測(cè)到多顆衛(wèi)星以后，就可以確定接收機(jī)的具體位置。根據(jù)距離公式可以得到4個(gè)衛(wèi)星與觀測(cè)物體之間的距離關(guān)系（以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星為例），如下所示：

式中：c是GPS信號(hào)的傳播速度，數(shù)值上與光速數(shù)值相同；ti為衛(wèi)星時(shí)間差（i=1，2，3，4）；t為接收機(jī)時(shí)間差；（xi，yi，zi）為第i個(gè)衛(wèi)星的空間直角坐標(biāo)（通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲得）；（x，y，z）為被觀測(cè)物體的空間直角坐標(biāo)；di為衛(wèi)星到被觀測(cè)物體的距離，可以通過(guò)信號(hào)傳播的時(shí)間和光速相乘獲得。通過(guò)式（1）～式（4）這4個(gè)公式即可計(jì)算出被觀測(cè)物體的空間直角坐標(biāo)（x，y，z）和t。實(shí)際上，在三維空間中，根據(jù)3點(diǎn)即可測(cè)得被觀測(cè)物體的坐標(biāo)，但根據(jù)上面的公式，di通過(guò)c×t計(jì)算得到，由于c值特別大，當(dāng)信號(hào)傳播時(shí)間特別短時(shí)，小誤差可能會(huì)對(duì)結(jié)果造成大偏差，另外，GPS衛(wèi)星信號(hào)在傳輸過(guò)程中還可能會(huì)因?yàn)樘鞖獾仍蚴艿接绊?，因此需要增?顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來(lái)校正誤差，共需要4顆衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。以上所述的定位原理稱為單點(diǎn)定位（又稱絕對(duì)定位），只需要通過(guò)一個(gè)GPS接收器來(lái)確定位置。除了單點(diǎn)定位，還有差分定位（又稱相對(duì)定位），可以通過(guò)增加一個(gè)參考GPS接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的定位[8]。

1.3 地圖API

高德地圖是國(guó)內(nèi)使用率較高的免費(fèi)地圖導(dǎo)航產(chǎn)品。高德地圖的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）以HTTP接口形式為開(kāi)發(fā)者提供基于高德地圖訪問(wèn)地圖數(shù)據(jù)的能力。開(kāi)發(fā)者不需要訪問(wèn)源碼也無(wú)需理解地圖內(nèi)部工作機(jī)制的細(xì)節(jié)，只通過(guò)接口即可使用各類(lèi)型的地理數(shù)據(jù)服務(wù)。

本文使用的是高德API的逆地理編碼。將GPS獲取到的經(jīng)緯度信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換加密發(fā)送到指定的接口，高德地圖就可以將其轉(zhuǎn)換為詳細(xì)的地址，且返回附近的興趣點(diǎn)（Point of Interest，POI）信息[9-10]。

使用高德API時(shí)，開(kāi)發(fā)者需要申請(qǐng)Web服務(wù)的密鑰。系統(tǒng)將申請(qǐng)的密鑰和其他必填參數(shù)通過(guò)HTTP請(qǐng)求一同發(fā)送，接收HTTP請(qǐng)求返回的數(shù)據(jù)并解析數(shù)據(jù)。

2 硬件系統(tǒng)

單片機(jī)選擇Arduino。Arduino基于Arduino IDE環(huán)境編譯。Arduino板上的微控制器通過(guò)Arduino的編程語(yǔ)言編寫(xiě)程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對(duì)Arduino的編程是利用Arduino編程語(yǔ)言（基于Wiring）和Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境（基于Processing）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相比其他單片機(jī)，Arduino簡(jiǎn)單清晰，無(wú)需了解其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和寄存器設(shè)置。另外，Arduino及周邊產(chǎn)品相對(duì)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，可以節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。最重要的一點(diǎn)是，代碼燒錄直接通過(guò)USB線即可完成，不需要通過(guò)燒錄器。

GPS模塊選用U-BLOX芯片。該芯片體積小巧，性能優(yōu)異，使用非常方便。GPS天線選擇陶瓷天線。除了陶瓷天線，還可以選擇需要額外供電的有源天線。相對(duì)無(wú)源天線，有源天線的功耗較大，成本較高，但是靈敏度要比無(wú)源天線高。本設(shè)計(jì)通過(guò)內(nèi)置放大電路提高無(wú)源陶瓷天線的搜星速度。GPS天線的供電使用單片機(jī)輸出端口的3.3 V電壓即可。GPS模塊的原理如圖2所示。

為了確定GPS模塊的工作狀態(tài)，在芯片的TIMEPULSE端口連接PPS時(shí)鐘脈沖輸出腳狀態(tài)指示燈。PPS指示燈有2個(gè)狀態(tài)：常亮表示模塊開(kāi)始工作，但定位不成功；閃爍表示模塊已經(jīng)定位成功。

圖2 GPS模塊原理圖

發(fā)送數(shù)據(jù)的GPRS模塊選用了SIMCOM公司的SIM800芯片。相比于上一代已經(jīng)停產(chǎn)且只能在中國(guó)大陸使用的SIM900A，SIM800芯片可以在全球使用，而且能夠以更低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)及傳真信息的傳輸。GPRS模塊原理如圖3所示。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)整體程序

在系統(tǒng)軟件部分，先進(jìn)行GPS模塊部分的編程，再進(jìn)行GPRS模塊部分的編程。之后將兩個(gè)程序結(jié)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)修改，得到系統(tǒng)整體程序。程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。GPS模塊的RX和TX接口與GPRS模塊的TX和RX接口通過(guò)單片機(jī)相連。將兩個(gè)模塊的波特率設(shè)置為一致，都設(shè)置為9 600。

GPS模塊與單片機(jī)開(kāi)發(fā)板連接，加載編寫(xiě)程序后，可在串口監(jiān)視器獲取到數(shù)據(jù)，也可使用USBTTL工具在串口調(diào)試助手中獲取數(shù)據(jù)。

GPRS模塊SIM800需要獨(dú)立供電（若采用SIM900A則不要獨(dú)立供電），GPS模塊可通過(guò)單片機(jī)的5 V輸出端供電，二者均可采用獨(dú)立電池進(jìn)行供電。獲取GPS數(shù)據(jù)的過(guò)程中，定義GPS模塊的波特率為9 600。由于NMEA-0183協(xié)議中GPRMC指令（也可以使用其他指令如$GPGLL定位地理信息和$GPGGAGPS定位信息）含有所需要的信息，對(duì)該條指令進(jìn)行解析，信息保存的位置是一定的，即使數(shù)據(jù)獲取為空位置也會(huì)保留。因此，按照位置讀取所需要的數(shù)據(jù)。在實(shí)際操作過(guò)程中，時(shí)間的獲取速度遠(yuǎn)快于緯度和經(jīng)度，而且經(jīng)緯度獲取是一致的，因此只要判斷經(jīng)緯度之中的一個(gè)是否為空就可以了。本文程序中，若判斷緯度為空，則繼續(xù)掃描GPS獲取的信息。若判斷緯度不為空，即可輸出信息。在最終程序定義了若數(shù)據(jù)不為空，在單片機(jī)板的輸出口和GND端放置的二極管亮，若數(shù)據(jù)為空，二極管不亮。這樣，用戶在定位過(guò)程中即可判斷是否獲取到了經(jīng)緯度信息。

3.2 數(shù)據(jù)處理程序

GPRS模塊將GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)要將得到的數(shù)據(jù)處理并顯示出來(lái)，需要連接數(shù)據(jù)庫(kù)，從中獲取GPS模塊得到的經(jīng)緯度和時(shí)間信息。調(diào)用過(guò)程如圖5所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)中的經(jīng)緯度信息是通過(guò)GPS定位系統(tǒng)得到的原始經(jīng)緯度，數(shù)據(jù)為原始坐標(biāo)。要將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示出來(lái)，需要先建立一個(gè)連接數(shù)據(jù)庫(kù)的文件，再建立一個(gè)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息顯示在網(wǎng)頁(yè)上的文件。原始坐標(biāo)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后，可以得到基于WGS-84坐標(biāo)系的經(jīng)緯度。由于國(guó)內(nèi)不允許直接使用WGS-84坐標(biāo)系標(biāo)注地圖，國(guó)內(nèi)不同地圖通常采用不一樣的坐標(biāo)系，因此數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)加密成為火星坐標(biāo)、百度坐標(biāo)、搜狗坐標(biāo)及圖吧坐標(biāo)等才可以正常使用。2002年，國(guó)家測(cè)量局通過(guò)加密WGS-84坐標(biāo)系，創(chuàng)立了我國(guó)通用的坐標(biāo)體系——火星坐標(biāo)（GCJ-02）。原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖6所示。

圖3 GPRS模塊原理圖

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用過(guò)程

圖6 原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化過(guò)程

高德地圖（國(guó)內(nèi)）使用的是火星坐標(biāo)，因此最后將轉(zhuǎn)換好的火星坐標(biāo)發(fā)送到高德地圖的API接口。高德地圖的API接口可以返回直接的漢字地址，也可以以地圖的形式顯示出來(lái)。本文使用的是通過(guò)地圖顯示出來(lái)的方式?；鹦亲鴺?biāo)發(fā)送過(guò)程如圖7所示。

本文使用的高德地圖API接口是基于個(gè)人版開(kāi)發(fā)的。基于企業(yè)版的API可以獲得更高的權(quán)限，并且使用次數(shù)和地址解析的速度有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算，得到WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度，經(jīng)過(guò)加密，得到GCJ-02坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化和加密并保存。系統(tǒng)調(diào)用保存的數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件顯示出來(lái)，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。將此數(shù)據(jù)進(jìn)行逆地址解析，得到具體的位置信息。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高德API的逆地址解析后，可以在高德地圖上正確地顯示位置信息。

圖7 火星坐標(biāo)發(fā)送至高德API接口

圖8 定位測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)GPS定位系統(tǒng)定位，經(jīng)過(guò)單片機(jī)Arduinio處理數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)GPRS數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至客戶端，調(diào)用高德地圖API實(shí)時(shí)顯示位置。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)定位并在高德地圖上實(shí)時(shí)顯示位置信息。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了定位系統(tǒng)模塊的集成化，縮小了體積，減輕了重量，提高了通用性和可靠性，應(yīng)用前景廣闊，具有良好的社會(huì)效益。