非机动车定位与报警系统设计

2021-08-28蔡欣言张晓寒王良成

电脑与电信 2021年6期

蔡欣言张晓寒王良成

（三亚学院理工学院，海南三亚 572000）

1 引言

随着机动车数量的逐步增长，城市交通压力越来越大，路上堵、没车位已经成为城市交通普遍存在的问题。在这种情况下非机动车的数量急剧增加，因其具有很好的灵活性，受到了更多家庭的青睐[1]。尤其是在接孩子上下学、日常生活使用都很方便。随着非机动车数量的迅速增长，在给大家带来方便的同时，同样也带来了很多新的管理问题，不遵守交通规则、随意停车、充电安全、盗抢等问题。尤其是非机动车的随意停放，阻塞安全通道、占用公共区域、影响市容、容易被盗，如何能够科学合理的管理非机动车，增加非机动车驾驶员的安全文明意识，防止车辆被盗已成为需要解决的重大课题。GSM 通信网络已成为众多通信网络中性能稳定、覆盖面广、价格便宜的通信网络，短信息提醒、远程定位服务也非常方便、快捷。该系统就是采用GSM 无线网络实现非机动车远程定位查询与自动报警，为车主非机动车盗抢和城市规范停车管理提供服务。

2 设计方案

2.1 需求分析

非机动车定位与报警系统需要实现实时定位和实时报警功能，定位要满足误差要求，定位精度不大于10米。设计一个GPS 信息采集、解码和应用的系统，实现GPS 数据的实时查看。系统主要由ST89C52 单片机实现GPS 数据的接收和处理并在LCD液晶显示模块来实时显示所需要的数据，纬度和经度坐标也可以通过通信模块进行短信发送。当停放的车辆因盗抢导致报警系统发出信号，就可以通过系统中的SIM卡发送报警信息短信到非机动车所有者的手机上。

2.2 系统结构

基于单片机的GPS 信息系统作为一个多种技术融合的实用产品，在GPS技术和通信技术的基础上实施。该系统从总体上可分为发送和接收两大部分，其中接收端为用户手机，发送端为安装在非机动车上的设备，主要有四大组成部分：GPS接收模块部分、GSM模块部分、数据处理模块部分以及数据信息显示模块，系统发送端系统结构图如图1所示。

图1 发送端系统结构图

GPS模块在捕获卫星信号后，数据将被主控单片机处理并且通过显示模块显示[2]。合理地进行系统电路的设计，可以确保在捕获卫星信号后，正确提取时间、经纬度坐标和速度，并将数据发送给LCD数据显示屏，实时显示当前位置坐标信息。

3 硬件系统设计

3.1 模块选型

3.1.1 控制器

系统选用深圳宏晶科技生产的STC89C52单片机作为主控制器，这款控制器的MCU具有低功耗、强抗干扰能力和低电磁干扰的性能，并具有ISP 和IAP 功能。89C 系列的最高工作频率为80MHz，RAM 数据存储器为512B 至1280B，闪存为4KB至64KB，其外围电路如图2所示。

图2 单片机外围电路设计

3.1.2 GPS模块

通常，GPS 模块都将RF 射频芯片、基带芯片、CPU 内核以及基本外围电路集成在一起，形成一个集成的模块，用于接收卫星信号[3]。深圳微科通讯设备有限公司的VK2828U7G5LF 模块采用了UBX-G7020-KT 作为模块的主芯片，这使模块能够拥有超低功耗和小体积的显著特征。GPS 模块通过串口与STC89C52核心控制器相连，当GPS 模块信号强度满足系统工作要求时，单片机就能够收到卫星信号，模块上的绿色PPS指示灯不断闪烁。GPS模块接收到的卫星定位数据遵守NMEA0183协议，系统能够根据解读到的协议信息转换成我们所需要的各类数据。VK2828U7G5LF模块RF射频属性如图3所示。

图3 VK2828U7G5LFRF射频属性图

3.1.3 GSM通信模块

GSM 模块选用紧凑型的SIM900A 模块，它属于双频GSM/GPRS模块，该模块广泛用于与无线通信相关的电子产品[4]。SIM900A 模块的设计非常紧凑，是一种非常可靠的无线通信解决方案。模块内置基带处理芯片和射频芯片，这可以大大方便用户使用，因其可以在没有外部电路的情况下直接处理基带信号和射频信号，使系统结构简单。在实际设计中，我们只用到了该模块的短信发送功能（SMS 服务），所以只需要将模块对外提供的标准接口与STC89C52的串口相连接，通过单片机微控制器对其发送控制指令就可以实现位置信息实时发送功能。SIM900A拥有丰富的外部接口资源，包括AT命令接口模块，该模块支持文本模式和SMS消息传递PDU。SIM900A 有三种主要操作模式，即掉电关闭模式、最小模式和操作功能模式。同时，该模块具有完整的UART接口、天线连接器和天线盖。

3.2 PCB硬件设计

基于MCS51单片机的非机动车定位与报警系统硬件原理图设计和PCB 板规划采用功能先进的Altium Designer19制图软件完成。其硬件系统原理图如图4所示，原理图绘制采用了网络标号的形式，以提高系统可读性，系统供电电源由供电模块解决，不再赘述。

图4 硬件原理图

Altium Designer19 功能齐全，尤其是在电路电气规则检查、PCB 设计合理性检测方面有很大优势，提供了一个统一的应用程序解决方案，该解决方案集成了开发集成电子产品所需的所有技术和功能。在使用Altium Designer 进行系统PCB 板布局时，尽量减少各部件之间的电磁干扰，增加了元器件和布线之间的距离，根据PCB设计走线准则进行整个硬件的排布。系统硬件PCB如图5所示。

图5 硬件PCB图

3.3 报警系统设计

报警系统通过在非机动车上安装震动传感器，检测暴力手段开锁和挪车行为，该信号为开关量信号，通过传感器检测震动传送给单片机，单片机通过SIM卡发送信息到车主手机上，实现防盗报警。

4 软件系统设计

软件程序设计使用了KeilµVision4，该软件是专为单片机程序开发而设计的系统开发软件，它不仅集成了功能强大的程序开发调试工具包，还提供了丰富的库函数供程序员修改使用，相对减轻了一定的设计工作量。

主程序流程图如图6所示，系统上电后先对LCD显示模块、单片机串口和GSM模块进行初始化操作，然后对天线接收到的GPS数据进行内部解析，若解析成功，则在LCD上进行相关的信息显示，再判断按键是否触发或是时间间隔是否达到1min来判断是否发送短信，若条件达成，则进行相关信息的短信发送。主程序如下：

图6 主程序流程图

5 系统测试

系统功能测试的目的是检验系统是否能够按照预定目标工作，主要检测各项性能指标是否满足设计要求，该系统的测试分为两部分：软件调试和硬件调试。软件系统测试使用普中科技的PZ-ISP 自动下载软件和SSCOM 串口调试软件。普中科技的PZ-ISP 自动下载软件是一款非常简单易用的MCU 程序下载助手，支持4800-864000bps 波特率，和STC89Cxx、STC90Cxx、STC11Fxx、STM32F10xx等多种芯片类型。

5.1 GPS接收功能调试

GPS接收功能的调试在整个系统中尤为重要，关乎整体功能的完整性，为了实现接收卫星定位数据信号的功能，在连接单片机之前使用了SSCOM 调试软件和USB-TTL 模块在笔记本上预先调试验证了模块的基本功能。GPS 接收测试地点在三亚学院学生宿舍区的北寓25号楼四楼的过道，软件调试数据如图7所示。

图7 搜星成功图

当串口界面中的$GPRMC 后面有经纬度数据时就代表GPS功能调试成功，能够在信号良好的情况下正常接收当前的卫星信号。通过电脑调试成功后，将实际电路中GPS模块的串行口TXD 接入单片机的串行口RXD，这样单片机就能正常接收和处理GPS模块发送的定位数据。

5.2 GSM模块功能调试

在GSM 模块测试中，同样使用SSCOM 调试软件和USB-TTL模块，GSM模块的TTL电平接口RXD与USB-TTL模块TTL端的TXD相连接；GSM模块的TTL电平接口TXD与USB-TTL 模块TTL 端的RXD 相连接；连接电脑后，在串口调试软件SSCOM上配置好相关数据后，通过判断GSM模块的网络指示灯闪烁来大致判断模块的工作状态。在调试过程中如果供电没有问题时，模块的网络指示灯还是快速闪烁，那么就可能出现SIM卡不兼容的问题。

GSM模块在电脑端的调试和GPS模块的调试流程基本相同，同样是测试验证模块的功能是否正常，不同的是GSM在调试过程中可以通过串口助手来给模块发送指令[5]。笔记本调试成功后，接入实际电路进行硬件调试。