基于北斗BDM100模塊的兩種家庭監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)方案解析

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國人口老齡化越來越嚴(yán)重，對(duì)于老人的監(jiān)護(hù)成為了一個(gè)社會(huì)問題。本文根據(jù)老人監(jiān)護(hù)的需求特點(diǎn)，利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合北斗定位模塊BDM100設(shè)計(jì)了兩種針對(duì)不同需求的家庭監(jiān)護(hù)終端方 案，用于對(duì)老人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并將實(shí)時(shí)位置信息傳輸?shù)奖O(jiān)管人手中。第一種方案采用支持3G網(wǎng)絡(luò)的EVDO模塊MC8630，結(jié)合以ARM9為內(nèi)核的 AT91SAM9260芯片進(jìn)行位置信息回傳，該方案具有傳輸迅速，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以為以后傳遞身體信息，環(huán)境信息提供擴(kuò)展空間。第二種方案采用支 持2G網(wǎng)絡(luò)的GSM模塊GTM900，結(jié)合以Cortex-M3為內(nèi)核的LPC1766芯片進(jìn)行定位信息傳送，該方案結(jié)合良好的軟件設(shè)計(jì)，具有成本低，性 能穩(wěn)定的特性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，這兩種方案都能很好的解決家庭監(jiān)護(hù)中老人的實(shí)時(shí)定位問題。
　　1 BDM100模塊設(shè)計(jì)
　　BDM100模塊是一款雙系統(tǒng)高性能的GNSS模塊，能夠同時(shí)支持BD2 B1，GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，很好適應(yīng)低成本，低功耗領(lǐng)域，可以進(jìn)行大規(guī)模的北斗系統(tǒng)集成應(yīng)用。模塊的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：
　　
　　圖1 BDM100模塊結(jié)構(gòu)框圖
　　從 芯片結(jié)構(gòu)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(guān)器，F(xiàn)FT和匹配濾波器混合應(yīng)用以及算法優(yōu)化， 在各種復(fù)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(shù)和高質(zhì)量的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以保證很好的授時(shí)，導(dǎo)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(zhǔn)度，因?yàn)楸疚牟捎帽倍范ㄎ幌到y(tǒng)，所以只選取其北斗定位功能。另外，BDM100芯片有3個(gè)串口，用 戶可以自行設(shè)置其波特率，默認(rèn)波特率是9600，并且可以通過串口3進(jìn)行固件升級(jí)。該模塊的定位精度可達(dá)到3米，測(cè)速精度可以達(dá)到0.1米/秒。本系統(tǒng)采 用的外圍應(yīng)用電路圖如下：
　　
　　圖2 BDM100模塊外圍電路圖
　　本系統(tǒng)的兩個(gè)方案均使用串口1與MCU通訊，串口3預(yù)留出接口以便日后升級(jí)。特別注意：模塊正常啟動(dòng)時(shí)，在復(fù)位信號(hào)有效期內(nèi)，保持串口3輸入引腳電平恒定為 高，否則模塊將進(jìn)入升級(jí)固件模式，無法正常啟動(dòng)。模塊復(fù)位信號(hào)低電平有效，且持續(xù)時(shí)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(nèi)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(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)。消息名與數(shù)據(jù)之間均以逗號(hào)（0x2C）進(jìn)行分隔。表示輸入的消息可 以以‘\r’（0x0D）或‘\n’（0x0A）或兩者的任意組合結(jié)束，而表示輸出的消息則全部以‘\r\n’組合結(jié)束。消息名和參數(shù)中的字母均不區(qū)分大小寫。
　　BDM100模塊在使用之前需要進(jìn)行初始化，初始化過程就是模塊和主控芯片之間進(jìn)行消息交互的過程。BDM100模塊具有授時(shí)和定位功能，本系統(tǒng)只用到其定位功能，所以對(duì)于授時(shí)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(shè)置為115200（默認(rèn)波特率9600），具體命令 為：$CFGPRT，3，h0，115200，3，3。由于本系統(tǒng)用到的是北斗定位系統(tǒng)，而BDM100模塊可以支持GPS和北斗混合定位，所以需要在初 始化時(shí)將模塊設(shè)置為北斗定位模式，可以采用兩個(gè)命令實(shí)現(xiàn)—CFGSYS/CFGNAV，具體命令為：$CFGSYS，h10或 者$CFGNAV，1000，1000，3，2。對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)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?yàn)镚LL消息比RMC消息 短，信息效率比較高，所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用GLL消息進(jìn)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(shè)置其輸出頻率為1次/秒，而且其對(duì) 應(yīng)的類別和ID號(hào)分別為0和1，通過查找對(duì)應(yīng)芯片軟件手冊(cè)得知GLL消息的最高輸出頻度為1Hz，所以利用CFGMSG設(shè)置其頻率用的具體指令 為：$CFGMSG，0，0，1。
　　當(dāng)把以上內(nèi)容處理完成，需要將設(shè)置進(jìn)行保存，用到的指令為：$CFGSAVE。
　　初始化完成以后，BDM100芯片就會(huì)以1次/秒的速度通過接口向外輸出數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　以3G方案設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)終端采用ARM926EJ-S為內(nèi)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(nèi)嵌以太網(wǎng)，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(wù)要求網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量，EVDO模塊支持中國電信CDMA2000提供的所以數(shù)據(jù)分組業(yè) 務(wù)，對(duì)于無線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，EVDO的接入速度已經(jīng)接近有限ADSL上網(wǎng)的水平，而且采用此種方式，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，為以后的性能擴(kuò)展留下空間，滿足方案設(shè) 計(jì)要求。
　　2.1硬件設(shè)計(jì)
　　3G方案硬件連接框圖如下：
　　
　　圖3 3G方案框圖
　　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(shí)，還可以為以后的性能擴(kuò)展提供空間。對(duì)BDM100模塊和主控芯片的連接具體電路見圖2，而對(duì)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(shè)計(jì)
　　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(jīng)在眾多嵌入式設(shè)備上面使用，其穩(wěn)定性已經(jīng)得到了驗(yàn)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(nèi)核之后，利用串口通信接口進(jìn)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(shù)如下：
　　在進(jìn)行串口通信時(shí)，要先對(duì)串口進(jìn)行初始化，對(duì)應(yīng)執(zhí)行Serial_init函數(shù)。
　　具體格式：
　　int serial_init（char *dev， int speed， int is_block）
　　其中dev是設(shè)備文件地址，speed是串口波特率，is_block是設(shè)置在初始化不成功時(shí)，是否阻塞等待，直到初始化成功。
　　初始化函數(shù)通過調(diào)用static int open_dev（char *dev， int is_block）函數(shù)來打開設(shè)備文件，其中dev和is_block參數(shù)和初始化函數(shù)中的意義一致。打開成功，返回設(shè)備文件描述符，否則返回-1。通過 調(diào)用static void set_speed（int fd， int speed）來設(shè)置波特率，其中fd表示設(shè)備描述符，speed表示速率，在調(diào)用此函數(shù)時(shí)，要停止串口工作。
　　初始化完成后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，讀函數(shù)為：
　　int serial_read_timeout（int fd， char *str， unsigned int len， unsigned int timeout/*ms*/）
　　此讀函數(shù)是帶有超時(shí)機(jī)制的串口讀，接收的數(shù)據(jù)放在str的字符串中，fd表示設(shè)備文件地址，len表示讀取的長度，timeout 表示超時(shí)時(shí)間，ms級(jí)別，函數(shù)返回讀取的長度。
　　所謂的超時(shí)機(jī)制，是指程序利用此函數(shù)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程，有數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)行，無數(shù)據(jù)時(shí)阻塞，當(dāng)線程有數(shù)據(jù)時(shí)，讀完數(shù)據(jù)，程序再繼續(xù)，如果超時(shí)還沒有讀完，則放棄讀取，程序繼續(xù)，一般在設(shè)置的時(shí)間內(nèi)，程序都能讀完數(shù)據(jù)，這樣做是為了防止線程死鎖，無法結(jié)束線程。
　　串口發(fā)送函數(shù)具體格式為：
　　int serial_send（int fd，char *str，unsigned int len）
　　其中fd表示設(shè)備文件地址，發(fā)送數(shù)據(jù)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(gè)函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)BDM100模塊與主控芯片AT91SAM9260的通信，可以完成相關(guān)的模塊初始化操作和信息的傳輸。