基于GPS与GSM技术的幼儿园监控系统设计

付军伟 朱一群 周玲 上海电机学院 上海 200240

0、引言

最近几年以来，校车事故和幼儿园意外伤害事故频频发生，使幼儿们的安全问题引起了全社会关注。由于幼儿们身心各方面尚未发展成熟而需要给予一定的安全防护措施和照顾，因此本文开发了一种幼儿全程监控系统，本系统应用GPS全球定位技术和GSM无线网络传输技术，使家长能够跟踪孩子的行踪，并且当孩子到达幼儿园时，家长就会收到一条由系统发送的“平安短信”。

1、GPS与GSM技术原理

1.1、GPS全球定位技术

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是20世纪70年代由美国陆、海、空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。

GPS模块的几个重要指标：

（1）卫星轨迹

全球有24颗GPS卫星沿6条轨道绕地球运行(每4个一组)，GPS接收模块就是靠接收这些卫星来进行定位的。大多数GPS接收器可以追踪8～12颗卫星。计算2维坐标至少需要3颗卫星，4颗卫星可以计算3维坐标。

（2）并行通道

由于最多可能有12颗卫星是可见的，GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息，所以市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息。

（3）定位时间

定位时间是指重启GPS接收器时，确定现在位置所需的时间。对于12通道接收器，冷启动时的定位时间一般为3～5min，热启动时为15～30s。

（4）定位精度

普通GPS接收器水平位置定位精度在5～10m内。

本系统选用的是台湾生产的HOLUXM-89 GPS模块，并为其配备了PCB板，以方便与单片机进行连接。该模块有并行32通道；L1 1575.42MHz ；C/A码为1.023MHZ码片速率；跟踪灵敏度：-159dB；定位精度：10米（2DRMS）1-5米（DGPS）；速度精度：0.1米/秒；时间精度：1ms。

数据传输特性：1个全双工串行TTL接口；标准的9600bit/s数据传输速率；数据传输格式：SiRF二进制和NMEA-0183(v3.01)-GGA,GLL,GSA,GSV,RMC,VTG；DGPS协议：RTCM SC-104，类型1，2和9；脉冲延时为100ms。

电气特性：输入电压：3.3～5V DC；后备电源：直流3V；输入电流：80mA。

1.2、GSM无线传输技术

GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications)的简称。GSM是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。中国GSM900使用的频率GSM900:上行(MHz)905-915；下行(MHz)950-960。

本文GSM模块选用西门子公司的TC35，在应用系统中很容易集成，具有如下特点：

（1）频段为双频GSM 900 MHz和GSM 1800 MHz；

（2）支持数据、语音、短消息和传真；

（3）电源范围宽；

（4）具有RS 232接口和语音接口。

电路连接简单，单片机的串行接口通过电平转换芯片MAX202与TC35的串口相连，采用异步串行通信。

2、基于GPS与GSM技术的幼儿监控系统设计

本系统主要由两个子系统组成，它们分别是GPS跟踪定位系统和GSM刷卡确认“平安短信”系统，如图1所示。

基于GPS技术的跟踪定位系统的工作过程是：幼儿携带智能卡从家中登上幼儿园校车，智能卡的GPS模块接收卫星的信息并通过GSM模块向家长发送孩子的当前地理位置。假如不幸发生意外，如校车被不法分子劫持，利用跟踪定位功能还可以为警察提供重要线索。

基于GSM的刷卡确认“平安短信”系统的工作过程是：幼儿乘到达幼儿园，刷智能卡，听见“嘀”一声，刷卡机内部单片机读取智能卡ID号，并通过GSM模块向与智能卡ID号对应的家长手机号码发送“平安短信”。

图1 幼儿监控系统设计框图

2.1、基于GSM刷卡确认“平安短信”系统

2.1.1、刷卡读取ID号

本系统采用STC12C5A32S2高速单片机和MFRC500芯片的射频读写器共同组成刷卡识别系统，完成单片机读取智能卡ID号的功能。

射频读写系统基本原理如下：读写器向卡片发一组固定频率的电磁波，卡片内的LC串联谐振电路频率与读写器发射频率相同。在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷。当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或存取读写器的数据。

2.1.2、发送“平安短信”

GSM引擎模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范GSM07.07中定义的AT Command接口；在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向GSM模块发送各种命令。与SMS有关的GSM AT指令如表1所示。

表1 与SMS有关的AT命令

利用GSM的AT指令进行短消息的发送和接收步骤如下:

（1）设置短消息服务中心号码

AT+CSCA=“+8613800250500”(短消息中心号码)；

（2）设置短消息的格式

AT+CMGF=1或0（1:文本格式，0:PDU格式）；

（3）发送短消息(短消息内容为TEST)：

AT+CMGS=“13594120635”＞TEST ctrl+z；

（4）设置收到新的短消息后自动提示

AT+CNMI=1,1,0,0,1；当收到新的短消息，将会获得以下的提示指令：+CMTI:“SM”,INDEX（新短消息的存储的索引号）。

发送中文则要采用PDU串，例如将信息发送到13594120635，发送：SMSC号码是+8613800250500，对方号码是13594120635，消息内容是“妈妈（爸爸），我顺利到达幼儿园，您请放心！您的好孩子：某某。”

2.2、基于GPS技术的跟踪定位系统

HOLUXM-89 GPS模块安装在一块PCB板上，板上引出有6针间距为2.54mm的插针，可方便地与单片机STC12C5A32S2进行连接，GPS模块各插针管脚功能及其与单片机的连接方法如下：

2脚：指示灯，通电常亮，接收到卫星开始闪烁。

2脚：外部复位输入，可不接。

3脚：模块串口数据输出，接单片机STC12C5A3 2S2的RXD脚（P3.0脚）。

4脚：模块串口数据输入。接单片机STC12C5A3 2S2的TXD脚（P3.1脚）。

5脚：GND。

6脚：电源输入，电压范围：3.3-5V。

工作过程：连线无误后，单片机每隔一定时间从模块读取数据，通过GSM网向发家长手机发送。

3、结束语

经过论证，基于GSM与GPS技术的幼儿智能跟踪系统不仅能够为家长发送一条“平安短信”报平安，而且还可以突破通信距离的限制，使家长及时了解孩子的行踪。此外本系统利用刷卡识别ID号技术对幼儿身份进行识别，有效的保证了“平安短信”的准确性，达到家长的要求。该系统安装简单，功能强，便于应用，易于推广。

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