采用北斗BDM100模塊的兩種家庭監(jiān)護終端設計超詳細講解

隨著社會的發(fā)展，我國人口老齡化越來越嚴重，對于老人的監(jiān)護成為了一個社會問題。本文根據老人監(jiān)護的需求特點，利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結合北斗定位模塊BDM100設計了兩種針對不同需求的家庭監(jiān)護終端方 案，用于對老人進行實時定位，并將實時位置信息傳輸到監(jiān)管人手中。第一種方案采用支持3G網絡的EVDO模塊MC8630，結合以ARM9為內核的 AT91SAM9260芯片進行位置信息回傳，該方案具有傳輸迅速，可擴展性強的特點，可以為以后傳遞身體信息，環(huán)境信息提供擴展空間。第二種方案采用支 持2G網絡的GSM模塊GTM900，結合以Cortex-M3為內核的LPC1766芯片進行定位信息傳送，該方案結合良好的軟件設計，具有成本低，性 能穩(wěn)定的特性。經過實驗檢測，這兩種方案都能很好的解決家庭監(jiān)護中老人的實時定位問題。

1 BDM100模塊設計

BDM100模塊是一款雙系統(tǒng)高性能的GNSS模塊，能夠同時支持BD2 B1，GPS L1兩個頻點，很好適應低成本，低功耗領域，可以進行大規(guī)模的北斗系統(tǒng)集成應用。模塊的結構框圖如下圖所示：

圖1 BDM100模塊結構框圖

從 芯片結構框圖中可以看到，BDM100支持UART，SPI，1PPS，I2C等多種接口。其可以通過相關器，FFT和匹配濾波器混合應用以及算法優(yōu)化， 在各種復雜環(huán)境下保持出色的捕捉跟蹤能力和快速TTFF功能。采用多路徑抑制技術和高質量的原始觀測數據，可以保證很好的授時，導航精度。BDM100芯 片可以采用多系統(tǒng)混合定位的方式，這樣可以提高定位精準度，因為本文采用北斗定位系統(tǒng)，所以只選取其北斗定位功能。另外，BDM100芯片有3個串口，用 戶可以自行設置其波特率，默認波特率是9600，并且可以通過串口3進行固件升級。該模塊的定位精度可達到3米，測速精度可以達到0.1米/秒。本系統(tǒng)采 用的外圍應用電路圖如下：

圖2 BDM100模塊外圍電路圖

本系統(tǒng)的兩個方案均使用串口1與MCU通訊，串口3預留出接口以便日后升級。特別注意：模塊正常啟動時，在復位信號有效期內，保持串口3輸入引腳電平恒定為 高，否則模塊將進入升級固件模式，無法正常啟動。模塊復位信號低電平有效，且持續(xù)時間不得小于2毫秒；該模塊配備的天線必須為+2.85V有源天線，天線 連接至模塊的GNSS_ANT引腳，有源天線內部集成LNA（低噪聲放大器），可以直接連接到模塊GNSS_ANT引腳，若采用非+2.85V的有源天 線，則需要為天線供電。

本文所使用的BDM100模塊在其采用的軟件接口協(xié)議中，主要通過消息的傳遞來完成信息的傳送，其中“消息”是全ASCLL碼組成的字符串。消息的基本格式為：

表1 BDM100模塊消息格式

其 中所有的消息都以$（0x24）開始，后面緊跟消息名，之后跟有不定數目的參數或數據。消息名與數據之間均以逗號（0x2C）進行分隔。表示輸入的消息可 以以‘ ’（0x0D）或‘ ’（0x0A）或兩者的任意組合結束，而表示輸出的消息則全部以‘ ’組合結束。消息名和參數中的字母均不區(qū)分大小寫。

BDM100模塊在使用之前需要進行初始化，初始化過程就是模塊和主控芯片之間進行消息交互的過程。BDM100模塊具有授時和定位功能，本系統(tǒng)只用到其定位功能，所以對于授時功能的初始化不做描述。

本系統(tǒng)需要用到的初始化指令如下表所示：

表2 BDM100模塊初始化指令

其中在3G方案中由于采用USB接口通信，需要將波特率設置為115200（默認波特率9600），具體命令 為：$CFGPRT，3，h0，115200，3，3。由于本系統(tǒng)用到的是北斗定位系統(tǒng)，而BDM100模塊可以支持GPS和北斗混合定位，所以需要在初 始化時將模塊設置為北斗定位模式，可以采用兩個命令實現—CFGSYS/CFGNAV，具體命令為：$CFGSYS，h10或 者$CFGNAV，1000，1000，3，2。對于輸出的消息有多種，具體的編碼見下表：

表3 BDM100模塊消息類型列表

本系統(tǒng)中用到的輸出需要地理位置信息和對應的時間信息，由上面的消息類型可以看出采用GLL消息或者RMC消息皆可以滿足要求，因為GLL消息比RMC消息 短，信息效率比較高，所以系統(tǒng)在設計中采用GLL消息進行傳送。因方案中連接的控制芯片處理能力限制，GLL消息需要設置其輸出頻率為1次/秒，而且其對 應的類別和ID號分別為0和1，通過查找對應芯片軟件手冊得知GLL消息的最高輸出頻度為1Hz，所以利用CFGMSG設置其頻率用的具體指令 為：$CFGMSG，0，0，1。

當把以上內容處理完成，需要將設置進行保存，用到的指令為：$CFGSAVE。

初始化完成以后，BDM100芯片就會以1次/秒的速度通過接口向外輸出數據，具體接收以及處理過程由與其相鏈接的主控芯片處理。

2.3G方案設計與實現

以3G方案設計的監(jiān)護終端采用ARM926EJ-S為內核的 AT91SAM9260芯片作為主控芯片，該芯片具有性能穩(wěn)定，外圍接口豐富，內嵌以太網，具備快速RAM和ROM，支持LINUX操作系統(tǒng)的特性。消息 回傳的3G芯片采用EVDO模塊MC8630，3G服務要求網絡具有較高的數據吞吐量，EVDO模塊支持中國電信CDMA2000提供的所以數據分組業(yè) 務，對于無線數據接入業(yè)務，EVDO的接入速度已經接近有限ADSL上網的水平，而且采用此種方式，數據傳輸穩(wěn)定，為以后的性能擴展留下空間，滿足方案設 計要求。

2.1硬件設計

其中BDM100模塊和主控芯片AT91SAM9260通過UART接口連接，而3G芯片MC8630通過USB口與主控芯片連接，這樣在保證接收與發(fā)送穩(wěn) 定性的同時，還可以為以后的性能擴展提供空間。對BDM100模塊和主控芯片的連接具體電路見圖2，而對3G模塊和主控芯片的連接見下圖：

圖4 3G模塊和主控芯片連接圖

2.2 軟件設計

在主控芯片AT91SAM9260上使用linux作為操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)已經在眾多嵌入式設備上面使用，其穩(wěn)定性已經得到了驗證。

2.2.1 BDM100模塊的連接

BDM100模塊采用UART串口和主控芯片通信，在linux中配置完內核之后，利用串口通信接口進行初始化和定位信息的傳送。本方案中，具體的串口通信函數如下：

在進行串口通信時，要先對串口進行初始化，對應執(zhí)行Serial_init函數。

具體格式：

int serial_init（char *dev， int speed， int is_block）

其中dev是設備文件地址，speed是串口波特率，is_block是設置在初始化不成功時，是否阻塞等待，直到初始化成功。

初始化函數通過調用static int open_dev（char *dev， int is_block）函數來打開設備文件，其中dev和is_block參數和初始化函數中的意義一致。打開成功，返回設備文件描述符，否則返回-1。通過 調用static void set_speed（int fd， int speed）來設置波特率，其中fd表示設備描述符，speed表示速率，在調用此函數時，要停止串口工作。

初始化完成后，就可以進行數據的讀寫，讀函數為：

int serial_read_timeout（int fd， char *str， unsigned int len， unsigned int timeout/*ms*/）

此讀函數是帶有超時機制的串口讀，接收的數據放在str的字符串中，fd表示設備文件地址，len表示讀取的長度，timeout 表示超時時間，ms級別，函數返回讀取的長度。

所謂的超時機制，是指程序利用此函數讀取數據時，會啟動一個線程，有數據時運行，無數據時阻塞，當線程有數據時，讀完數據，程序再繼續(xù)，如果超時還沒有讀完，則放棄讀取，程序繼續(xù)，一般在設置的時間內，程序都能讀完數據，這樣做是為了防止線程死鎖，無法結束線程。

串口發(fā)送函數具體格式為：

int serial_send（int fd，char *str，unsigned int len）

其中fd表示設備文件地址，發(fā)送數據放置在str中，長度為len。發(fā)送成功返回發(fā)送長度，否則返回小于0的值。

通過這樣的三個函數，就可以實現BDM100模塊與主控芯片AT91SAM9260的通信，可以完成相關的模塊初始化操作和信息的傳輸。

2.2.2 MC8630模塊的連接

本 方案所用到EVDO射頻模塊，起初是無法被識別的，因為Linux默認配置中并沒有打開這個選項，屬于自定義電路，故需要手動配置。根據MC8630模塊 的電路圖可以看出，CPU與MC8630通過USB口通訊，因此需要將處理器的USB口配置為3G功能。Linux對3G模塊的驅動支持主要是將USB轉 換為串口，應用程序就可以像操作串口一樣操作USB。

所以除了打開“USB driver for GSM and CDMA modems”內核選項之外，還需打開內核選項中USB功能和USB轉串口轉換支持，3G模塊還會用到第三方的撥號軟件，所以還需打開PPP撥號功能，配 置完之后，編譯內核。燒錄系統(tǒng)后，重啟進入/dev目錄，若出現USBtty0~USBtty3這四個設備文件，表明3G模塊的驅動已被正確加載。具體如下：

圖5 3G模塊驅動加載

在程序初始化時，利用編寫好的撥號腳本綁定PPP0網卡，這樣程序就可以像操作本地網卡一樣操作3G模塊，使用socket機制進行消息的傳送。具體的撥號腳本如下：

If ［‘ifconfig|grep ppp0|awk ‘（print（$1））’’］

Then

echo “the ppp0 has existed！”

else

pppd call evdo &

until［‘ifconfig|grep ppp0|awk ‘（print（$1））’’］

do

sleep 1

done

route del default

route add default dev ppp0

fi

在執(zhí)行ifconfig命令后，系統(tǒng)會列出了所有的網卡，一般情況下只有eth0和lo兩個網卡：eth0是常用的RJ45接口的網口，插上普通網線即可上 網；lo是本地網卡；當使用pppd撥號成功之后就會出現ppp0無線網卡，此時3G模塊已經連接上互聯網。然而在操作系統(tǒng)啟動的時候，一般默認網卡為 eth0，故在撥號成功之后，必須修改默認的路由路徑，這樣如果在應用程序使用socket編程之時沒有綁定指定網卡，所有網絡數據都會從ppp0網卡傳 輸。 綁定完ppp0網卡就可以使用linux socket機制進行與后臺服務器的通信，本方案中采用的UDP方式和后臺服務器進行通信，UDP協(xié)議的通信不需要像TCP一樣事先建立鏈接，只需要綁定 ip地址和端口號即可，但是本方案中為了以后的可擴展性，設計了socket_connect和socket_send函數，不論是TCP還是UDP，只 要調用這兩個函數即可，采用同樣的接口，這樣便于使用和擴展功能。具體如下：

int socket_connect（const int sock_fd， const char *ip_str， const unsigned int port_ui）

其中sock_fd是套接字，它是通過函數int socket_create（const int af， const int type， const int protocol， const int stime， const int rtime， const char *ifname）創(chuàng)建得到。ip_str是ip地址，port_ui是端口號。

int socket_send（const int sock_fd， const char * data， const int len， const int flags）

其中data是要發(fā)送的數據，len表示長度，flags一般取0即可。

接收函數：

int socket_recv_timeout（int sock_fd， char *buff， unsigned int len， unsigned int timeout/*ms*/）

具體功能用來接收網絡數據，直到長度等于len，或者超時（timeout）后返回。

2.2.3服務器與3G模塊通信協(xié)議

主 控芯片AT91SAM9260收到BDM100模塊發(fā)來的消息后，會將消息進行重組，通過3G模塊傳送到后臺進行解析。因為系統(tǒng)的定位終端具有實時性，對 于年月日信息的需求不是很強調，所以在初始化北斗時接收了GLL信息，它只含有時分秒的信息，本方案中采用的消息通信協(xié)議規(guī)定如下：

表4 自定義通信協(xié)議

其中起始位和校驗位均用unsigned short表示，校驗采用每兩個字節(jié)異或操作，編譯時，強迫兩個字節(jié)對齊編譯。

3G模塊采用這種格式將消息傳輸到后臺服務器進行處理，這樣有利于保持信息的穩(wěn)定和簡潔性。

3. 2G方案設計與實現

2G方案設計的監(jiān)護終端采用基于cortex-M3為內核的LPC1766作為主控芯片，2G模塊采用支持GSM網絡的GTM900芯片［4］。該方案采用的2G網絡技術成熟穩(wěn)定，速度也能滿足信息傳輸要求，配合健壯的軟件設計，使得其在具體的應用中取得良好的效果。

3.1 硬件設計

該方案具體的硬件連接如下：

圖6 2G方案框圖

從 圖中可以看出BDM100芯片和GTM900芯片分別通過串口1和串口0與主控芯片LPC1766進行連接，其中GTM900與LPC1766的連接只需 要將TXD引腳連接到RXD0，RXD連接到TXD0，然后將兩個芯片的GND各自接地即可。而對應BDM100和LPC1766的連接則直接根據圖2所 示即可。

3.2 軟件設計

在2G方案的軟件設計中，由于不采用操作系統(tǒng)，直接根據LPC1766和其他兩個芯 片的說明手冊進行裸版程序的設計。首先是要對BDM100芯片和GTM900芯片進行初始化操作，此處GTM900芯片的初始化操作要在BDM100芯片 之前，因為BDM100初始化之后就直接輸出位置信息GLL，而在本方案的程序設計中，只設置了一個接收串口數據的全局數組變量 RecUartBuf［100］，如果先初始化BDM100芯片，則GLL信息會和GTM900初始化信息沖突。另外，在UART接收程序中，因為每次接 收的數據長度不固定，所以不能設置為多字節(jié)中斷，在本方案中將程序設置為一字節(jié)中斷，并設置定時器中斷，用來判定數據是否傳送完畢，在之前的BDM100 芯片介紹中，將位置信息GLL的頻率設置為1次/秒，則在本方案中將定時器中斷設置為0.5s，這樣就可以有足夠的時間接收并傳遞信息，在定時器中斷函數 中將信息標志變量RecUartFlag設置為1，表示有數據進入，此時利用Uart0Sent函數將傳遞過來的GLL信息通過2G模塊發(fā)送到后臺服務 器。

在本方案中，因為保證程序健壯性的需要，GLL位置定位消息傳送到后臺服務器的格式是不經過重組的原始信息，對于信息的重組和解析任務則交予后臺服務器程序處理。

4 .系統(tǒng)測試

監(jiān)護終端的數據通過3G或者2G網絡傳送到服務器之后，服務器根據通訊協(xié)議對其解析。得到數據后，服務器進行如下操作：

1） 校驗數據是否有錯，有錯則丟棄，并要求終端重新獲取一次信息并立即傳輸。

2） 根據數據中的值重組還原，得到經緯度及當前的時間（格式為： XX時XX分XX秒）。

3） 根據經緯度信息，調用地圖服務，獲取具體位置。

4.1 3G方案測試

通過串口軟件獲得的北斗定位信息如下：

圖7 北斗信息串口軟件顯示

其 中顯示北緯32度02438675分，東經118度48951303分，后面的090528等表示UTC時間。為了統(tǒng)一格式，將MM度XX分格式轉化為 MM.NN分（1度等于60分），故118度48951303分相當于118.81585505度，32度02438675分相當于 32.04064458度。而其中UTC時間相當于0時區(qū)的時間，對應北京時間為東八區(qū)的時間，所以要加上8小時才是標準的北京時間，查找BDM100軟 件接口協(xié)議可得GLL消息顯示的UTC時間格式為XX時XX分XX秒，例如090528，對應的UTC時間為9時5分28秒，對應的北京時間為17時5分 28秒。后臺服務器程序顯示消息：

圖8 北斗信息3G服務器端顯示

從圖中可以看到與串口通信軟件顯示消息一致，驗證了系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。

4.2 2G方案測試

同樣再次利用串口通訊軟件獲取GLL消息：

圖9北斗信息串口軟件顯示

后臺服務器程序顯示消息：

圖10 北斗信息2G服務器端顯示

從圖中可以看出與串口通信軟件顯示消息一致，驗證了2G方案的可行性。

為了驗證定位的準確性，打開地球在線（http://www.earthol.com/），輸入當前的經緯度信息，查看定位情況。

圖11 北斗信息定位測試

如圖所示，北斗定位的位置為A12號樓，而筆者所在的位置為圖中藍色標記所在的A10號樓，誤差在30米左右，由于免費版本的goole地圖其官方宣稱誤差在50米以內，所以本次試驗的誤差在合理范圍內，表明基于北斗BDM100模塊的定位終端運行成功。

結 語

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為我國自主研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在滿足軍事用途的同時，也在不斷的加緊民用化進程，本文設計了兩種方案解決家庭監(jiān)護中位置定位的問題， 其中3G方案不僅可以傳輸位置信息，也為以后傳輸各種身體信息，環(huán)境信息提供了接口和可擴展的空間。2G方案的優(yōu)點在于其性能穩(wěn)定，成本較低，對應具有單 一需求的用戶會是一個很好的選擇。這兩種方案設計合理，性能穩(wěn)定，對其它工程設計具有一定參考價值。