基于单片机和GPSGSM模块宠物定位追踪器的实际毕业论文.doc
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本科生毕业论文
题目
基于单片机和GPS/GSM模块宠物定位
追踪器的设计
系别
计算机与信息工程学院
班级
物联网工程121班
姓名
学号124634139
答辩时间2016年6月
新疆农业大学计算机与信息工程学院
目录
1宠物定位追踪器的研究意义及国内外现状 -3-
1.1宠物定位追踪器的意义 -3-
1.2宠物定位追踪器国内外的现状 -4-
1.3基于GPS/GSM的宠物定位终端设计 -5-
2宠物定位追踪器的系统组成 -6-
2.1单片机模块简介 -6-
2.2GPS全球定位系统基本原理 -7-
2.2.1GPS全球定位系统概念 -7-
2.2.2GPS空间部分 -9-
2.2.3地面控制部分 -9-
2.2.4用户设备部分 -10-
2.2.5GPS特点 -10-
2.3GSM基本原理 -11-
2.3.1GSM系统结构 -11-
2.3.2SMS短消息业务 -13-
3.412864LCD液晶显示屏中文资料 -14-
3.4.1概述 -14-
3.4.基本特性 -14-
3.4.3应用 -15-
3宠物定位与监控系统总体设计 -15-
3.1系统设计目标 -15-
3.2系统组成结构 -15-
3.2.1硬件设计 -16-
4宠物定位软件设计 -18-
4.1串口控制函数 -19-
4.2，GPS模块控制函数 -22-
4.3GSM模块的控制函数 -24-
4.412864液晶显示控制函数 -25-
4.4系统功能 -26-
5谢辞 -26-
6结论 -26-
参考文献 -27-
基于单片机和GPS/GSM模块宠物定位追踪器的实际
摘要：
基于GPS和GSM的浮标位置监控终端设计方案;GPS模块采用瑞士U-BLOX公司的NEO-5Q主芯片板的基本性能及工作原理，串行口输出数据格式,以及单片机串行口使用方法；详细介绍单片机读取GPS定位模块数据的软件实现过程,并对怎样用单片机控制GSM模块发送定位信息进行探讨。
微控制器在本系统中的主要作用是控制宠物定位终端的GPS和GSM模块正常工作。
负责从GPS模块读取和解析宠物的位置信息，并定时地将所接到的GPS定位信息输出到GSM模块，最终报上宠物的当前位置；GPS在本系统中的作用是利用安装在宠物定位端上的GPS接收机接收GPS卫星所发射的导航电文，并经过接收机内部的解算算法定向终端提供宠物的当前位置信息；GSM在本系统中的作用是利用GSM短消息通信方式，将宠物定位终端的GPS定位数据经过格式转换后，消息信道将其传送到监控中心，为系统对宠物进行监控尊定基础；
关键字：
GPS定位模块，GSM模块，定位跟踪器，单片机；
PetLocationBasedonSingleChipMicrocomputerandGPS/GSMModuleDesignoftheTracker
Abstract:
BasedonGPSandGSMbuoypositionmonitoringterminaldesign;GPSmoduleusesthebasicperformanceandtheworkingprincipleoftheSwissu-bloxCorporationforthemainchipboard,serialportoutputdataformat,andmicrocontrollerserialportusage;SCMdetailedreadGPSpositioningdatamoduleofthesoftwareimplementationprocess,andhowtoSCMcontrolGSMmoduletosendthelocationinformationof.ThemainfunctionofthemicrocontrollerinthissystemistocontrolthenormaloperationoftheGPSandGSMmodulesofthepetpositioningterminal.ResponsibleforthepositioninformationfromtheGPSmoduletoreadandparsethepet,andregularlyreceivestheGPSpositioninginformationisoutputtotheGSMmodule,thefinalreportonthepet'scurrentposition;theroleofGPSinthesystemisinstalledbytheGPSreceiverinthepetpositioningterminalreceivesGPSsatelliteradionavigationmessage,andthroughtheinsideofthereceiversolutionalgorithmofdirectionalterminalsprovidethepet'scurrentpositioninformation;roleoftheGSMinthesystemisusingGSMshortmessagecommunication,thepetpositioningterminalofGPSpositioningdataaftertheformatconversion,thenewschannelwillbethetransmittedtothemonitoringcenter,laysthefoundationforthesystemofpetmonitoringrespect;
Keywords:
GPSpositioningmodule,GSMmodule,positioningtracker,scm;
1宠物定位追踪器的研究意义及国内外现状
1.1宠物定位追踪器的意义
近年来，随着社会经济的发展和人们生活水平不断提高，人类不仅更加注重自身的医疗和健康问题，所接受的各种健康检查和医疗护理项目与日俱增，而且也越来越关注其周围的居住和生活环境，譬如，为了保护物种，特别像是大熊猫，东北虎等稀有动物，他们开始采取野生放养和人工监护相结合的方式，为了丰富生活骂他们开始饲养像犬、猫等各类宠物。
然而，所以这些在提高人们生活质量和改善人类生存环境的同时，也给人类造成了巨大的管理压力，例如，我们经常能过听到报道说某某病人又走失，某只宠物有伤人之类的消息。
为此，如何有效地度各类病人特别是像老年痴呆和精神分裂的特殊病人，以及各种野生放养动物和家庭饲养宠物等进行有效的定位与监控管理，目前已经开始引起世界各国的普遍重视，逐渐成为一项热点研究问题。
1.2宠物定位追踪器国内外的现状
上世界90年代初期，我国宠物定位跟踪系统由于市场尚未形成，用户还没有迫切需求，加之受到资金，技术以及成本等多方面因素的制约，做成的大多是实验室刚出笼的试验品还达不到商品化的程度，所以成功者不多。
90年代中期，国内最早的定位跟踪系统开始使用在运抄车，警车，消防车，救火车等公务车辆和特种车辆上，部分城市的物流配送，货车，出租汽车，租车服务等业务也已开始利用GPS技术实现对车辆的管理。
90年代后期,宠物定位跟踪系统市场经历了整顿，巩固，充实和提高，在对原有技术进行改造的同时，是的系统性能有了大幅度提高。
当时，专注于GPS系统研究的若干高校，研究所和公司结合我国实际情况进行了设计与开发，成果显著的有清华大学电子工程系，北京航空航天大学，西安大唐公司，北京大恒公司，云南无线电厂等。
虽然取得了一定成绩，但一方面由于技术简单，定位精度不高，另一方面由于成本花费过高而不能被大众所接受，所以得不到广泛的实际应用，要想将这种系统进行实际推广使用，则必须在提高精度的同时大幅度地降低系统成本。
但在2000年之后，随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络通过采用GSM网络的短消息业务找到了新的曙光，随之也带动了定位跟踪系统市场不断趋于成熟，并迎来了新的发展势头，出现了快速增长的趋势。
国内利用GPS定位技术放牧起步较晚，目前我国定位追踪技术主要集中应用在精准农业上。
采用GPS定位技术，RS技术获取农田信息，为农田信息化管理提GPS模块能够实现物体的定位，通过它可以知道物体的经纬度信息。
然后GPRS模块可以实现无线通讯功能供理论支持。
无线定位技术的研究始于20世纪60年代的自动车辆系统，随后该技术，出租车调度以及公安追踪等范围内广泛应用。
随着人们对基于位置的信息服务的需求增多，无线定位技术得到更多研究者的关注，全球定位系统（GPS）的出现更是的定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度的提高，可达到10m以内，虽然直接利用GPS可以达到一种较为理想的定位效果，但是他需要专门的接收设备，对大多数用户来说并不是很方便，近年来，随着蜂蜜移动系统的普及，定位系统开始用于蜂蜜系统设计，切换，服务区确定，交通监控等方面。
目前，无线定位可以卫星无线定位和地面无线定位，卫星定位利用GPS，GLONASS以及我国的北斗双星等卫星系统实现移动目标的三位定位，地面无线定位则通过测量无线电波的传播时间，信号场强，相位，入射角度等参数实现移动目标的而为定位。
蜂窝无线定位属于无线定位系统。
现有的蜂窝无线网中的无线定位系统按移动通信结构分为基于移动通信网络的无线定位，基于移动台的无线定位，混合定位等。
近年来，随着移动用户的快速增加，对位置服务的需求也大大增加，当前的蜂窝无线定位系统中，为了避免对移动终端增加额外开销，多采用的是基于网络的定位方案，有多个基站同时接受检测移动台发出的信号，根据测量到的参数由网络对移动台进行定位估计，移动终端往往是普通手机，这就需要对基站安装检测设备，测量移动台发出的信号参数，再通过适当的算法估计出移动台的大致位置，而新号的传播很大程度上取决于移动通信信道特性，是定位精度受到很大的影响。
1.3基于GPS/GSM的宠物定位终端设计
本章选题从GPS和GPRS模块的功能和理论出发，设计一种基于单片机、GPS接收模块、GPRS模块、12864液晶屏等器件的实时显示器。
分别从硬件和软件实现等方面进行设计，根据GPS模块和GPRS模块数据输出基本原理设计系统，在硬件方面制作一台体积小巧、携带方便、可以独立使用的全天候实时的定位导航设备。
该系统将GPRS、GPS技术相结合，利用GPRS的数据传输功能，实现宠物定位器与用户的双向数据传输。
2宠物定位追踪器的系统组成
通常意义上的宠物定位是指，能够完成对各种宠物进行定位管理功能的系统。
本课题所研究的宠物定位系统，则是一全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem,简称GPS），全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilecommunication,简称GSM），微处理器（51系单片机）于一体，专门用于对野生动物和家庭宠物等进行定位服务。
其中，微处理器在本系统中的主要作用是控制宠物定位终端的GPS和GS模块正常工作。
负责从GPS模块读取和解析宠物的位置信息，并定时地将所接到的GPS定位信息输出到CSM模块，最终通过GSM短信向用户上报宠物的当前位置。
GPS
单片机
GSM
LCD
电源
6.1宠物定位终端的硬件设计框图
图6.1中，各芯片之间的连线代表了相互之间的连接关系和数据传输方式。
2.1单片机模块简介
本论文我是用的单片机是STC12C5A60S2这单片机的原因是STC12C5A60S2生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速，低功耗，超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。
（1）增强型8051CPU，1T（1024G），单时钟/机器周期。
（2）工作电压 5.5-3.5V。
（3）1280字节RAM。
（4）通用I/O口，复位后为：
准双向口/弱上拉可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA。
（5）有EEPROM功能。
（6）看门狗。
（7）内部集成MAX810专用复位电路。
（8）外部掉电检测电路。
（9）时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器频率
（10）4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1。
（11）3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
（12）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3
（13）PWM2路
（14）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S
（15）通用全双工异步串行口（UART）
（16）双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3
（17）工作范围：
-40~85
（18）封装：
LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC
2.2GPS定位模块
本文中采用瑞士U-BLOX公司的NEO-6M模组，第6代GPS接收机，搭载了高性能的50通道U-BLOX6技术，超过100万个有效相关器32通道采集引擎的处理能力使得模组可进行大规模并行搜索。
拥有SuperSense®kickstart技术，在信号微弱时可加速捕获GPS卫星信号。
U-BLOXGPS接收机拥有先进的噪音抑制技术和创新的RF架构，使接收机的抗干扰能力更强。
同时U-BLOXGPS接收机还提供惯性导航，精确授时和A-GPS等技术。
3.2-2NEO-6M模块图
3.2GPS数据包解析说明
GPS接收机上电后，会自动通过串口或USB口发送数据包，数据包协议为NEMA0183，它是一组包含有各种地理位置信息的字符串，字符串格式为：
$信息类型，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，xxx，
每行开头的字符都是‘$’，接着是信息类型，后面是数据，以逗号分隔开。
一行完整的数据如下：
$GPRMC,062363.00,A,2236.33923,N,11402.35855,E,0.304,306.80,020411,,,A*62
信息类型为：
GPGSV：
可见卫星信息
GPGLL：
地理定位信息
GPRMC：
推荐最小定位信息
GPVTG：
地面速度信息
GPGGA：
GPS定位信息
GPGSA：
当前卫星信息
3.2.1GPRMC数据详解：
1.时间，这个是格林威治时间，是世界时间（UTC），我们需要把它转换成北京时间（BTC），BTC和UTC差了8个小时，要在这个时间基础上加8个小时。
2.定位状态，在接收到有效数据前，这个位是‘V’，后面的数据都为空，接到有效数据后，这个位是‘A’，后面才开始有数据。
3.纬度，我们需要把它转换成度分秒的格式，计算方法：
如接收到的纬度是：
4546.40891
4546.40891/100=45.4640891可以直接读出45度
4546.40891–45*100=46.40891可以直接读出46分
46.40891–46=0.40891*60=24.5346读出24秒
所以纬度是：
45度46分24秒。
4.南北纬，这个位有两种值‘N’（北纬）和‘S’（南纬）
5.经度的计算方法和纬度的计算方法一样
6.东西经，这个位有两种值‘E’（东经）和‘W’（西经）
7.速率，这个速率值是海里/时，单位是节，要把它转换成千米/时，根据：
1海里=1.85公里，把得到的速率乘以1.85。
8.航向，指的是偏离正北的角度
9.日期，这个日期是准确的，不需要转换
3.2-1-NEO-6M模块电路图
2.2.1GPS全球定位系统概念
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：
当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。
C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。
而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历，工作状况，时钟改正，电离层时延修正，大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码。
每三十秒重复一次，每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码，转换码，第1，2，3数据块，其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息。
用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历。
用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）。
以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。
严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位，并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差，大气传播延迟，多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
2.2.2GPS空间部分
GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。
此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。
卫星的分布使得在全球任何地方，任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码。
一组称为P码，P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高,因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。
C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。
2.2.3地面控制部分
地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。
监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。
监站将取得的卫星
观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。
主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。
地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。
这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。
2.2.4用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度，高度，速度，时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。
目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
地面控制系统由监测站（MonitorStation），主控制站（MasterMonitorStation），地面天线（GroundAntenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（ColoradoSpring）。
地面控制站负责收集由卫星传回之讯息
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