基于GPS&GSM的便携式定位装置的设计与实现

摘 要：基于GPS&GSM的便携式定位装置以STM32F103

CBT6单片机作为主控芯片协调和控制各个模块的工作；采用瑞士的U-BLOX公司的NEO-6M-0-001 GPS模块来接收卫星数据，使用SIMCom公司的SIM900A模块用来接收控制命令，向用户发送定位信息和反馈信息；主控芯片与GPS和GSM模块通过串口进行通讯；人机交互界面设计使用了北京迪文科技有限公司的液晶显示屏，并通过SIM卡存储信息。

关键词：GPS；GSM；SIM900A；人身安全；便携式装置

随着嵌入式的高度发展和GPS的广泛应用，现在的车载导航与手持导航设备的开发已成为热门方面。显然，传统的基于PC架构的定位系统无法适应市场的需求。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立操作系统的GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

一、硬件设计

该装置主要由充电管理模块、稳压模块、主控芯片模块、显示屏模块、加速度计模块、GSM模块、GPS模块、USB模块、存储卡等模块构成。

主控芯片模块定时采集加速度计模块的信息，判断使用者是否处于危险状态，同时根据GPS模块精准定位，判断使用者是否在安全范围之内。若一旦出现危险，则控制模块会把相关信息通过GSM网络发送至特定的手机用户上，而且信息会在显示屏模块上出现。装置外还安装有一个求救按键，当被保护人遇到危险时，可以按下该键向指定的电话号码求救，当指定号码收到短信后，拨打装置内部SIM卡的号码后可实现监听。充电管理模块由锂电池供电，可以利用USB接口模块直接充电，装置内置充电管理芯片。该装置可以通过长按某一特殊按键的方式重新设定位置信息的参考点，并将信息存储在存储卡模块。如图所示：

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图1基于GPS&GSM的便携式定位装置的原理图

1.充电管理模块和USB模块

充电管理模块通过USB模块连接电源直接供电，芯片使用BQ2057。该系列是美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片，BQ2057系列芯片适合单节（4.1V或4.2V）或双节（8.2V或8.4V）锂离子（Li―Ion）和锂聚合物（Li-polymer）电池的充电需要，利用BQ2057设计的充电器电路简单的特点，可将其应用于目前的便携式装置的电源管理，对于便携式电子产品的紧凑设计很有意义。利用该芯片的7号管脚CC（充电控制输出端）来控制输出的电流大小以达到控制电池充电速度的目的。TS端为温度感测输入端，可以不接。STAT为充电状态输出端，充电时STAT输出高电平，红灯亮；充电完毕后STAT输出低电平，三极管导通，绿灯亮。

2.主控芯片模块

STM32F103系列微处理器是首款基于ARM Crotex3M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，提供很高的代码效率，在通常8位和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能。该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K字节的F1ash存储器220K字节的SRAM，具有丰富的通用I/0端口。作为最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统。丰富的片上资源使得STM32F103系列微处理器在多种领域如电机驱动、实时控制、手持设备、Pc游戏外设和空调系统等都显示出了强大的发展潜力。利用芯片内在的看门狗监控程序的运行状态，保证了程序的可靠性。

3.显示屏模块

使用北京迪文科技股份有限公司的触摸屏作为显示屏模块，该显示屏具备简易可调、体积小、易编程等优点。触摸屏的供电是3.3V-5V，3.3V为临界启动电压，为了让触摸屏能够正常启动，保证输出功率，在串口输出端接上拉电阻。

4.重力加速度计模块

mma7660只是一个3轴g-sensor，它主要用于测量倾斜角、惯性力、冲击力及震动，mma7660是一种电容式g-sensor.电容式g-sensor大多为欧美厂商，其技术是在wafer的表面做出梳状结构，当产生动作时，由侦测电容差来判断变形量，反推出加速度的值.免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了芯片的体积。MPU-6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，可由第二个I2C端口与其他的加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理（DMP：Digital Motion Processor）硬件加速引擎连接。

5.GSM模块

GSM模块是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

6.GPS模块

GPS模块就是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关电路而组成的一个集成电路。GPS模组整合灵敏度高，功耗低，GPS芯片组解决方案，在紧凑的设计里，可将同时追踪多达20颗卫星，并迅速确定，1Hz导航更新，广泛应用于如掌上电脑、个人数字助理、导航器、手机，电脑或其它的电池操作的导航系统。使用的天线是陶瓷平板天线，这种天线成本低，外部加有源放大电路，接收信号方向单一，增益比较高，所以采用最多。

二、电磁干扰的分析与改善

对于所有的电子产品来说，EMI也就是电磁干扰是一个非常重要的问题，尤其像本文设计的带有GPS和GSM这样的高频模块的手持设备，EMI的问题是非常严重的，这两部分的信号十分容易扰，从而影响性能。

1.干扰来源

（1）主控制器众多的I/O口，由于在设计和制版时非常多的穿线孔来引出其他的走线。使得很多的电磁场通过这些孔辐射出来。

（2）存储器的电磁辐射，主要是因为数据线和地址线及时钟产生的高频信号，电磁辐射也是很大的。

（3）液晶屏的排线会产生很多的电磁辐射，主要是因为液晶屏的排线紧密，且都为高频数字信号和时钟信号，故电磁辐射很大，另外还有GPS和GSM模块的天线之间的干扰。

2.抗干扰设计

不用的管脚尽量少悬空，一般接上拉或降低输入阻抗；GSM和GPS模块的地步加屏蔽壳，模块和单片机通信线尽可能短；天线的连接，距离射频连接点的主电路板和天线匹配电路连线应该尽量缩短，并且避开存储器，液晶屏等数字电路，走线时按照一定的方向，减少交叉；电源线应尽量能粗，以减少环路电阻，同时，使电源线，底线的走向和数据传递的方向尽可能的一致，以提高抗干扰能力。

三、结束语

本装置将GPS技术和GSM技术进行有效的结合，设计一种功能相对简单的手持定位装置，并由服务运行商给予服务支持，将人们熟悉的技术应用到关爱老人、儿童、残疾人等群体，让其满足人们应用的需求，并且使其比市场上现有的产品功能更加全面，服务更加可靠。