基于GPS,GPRS遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

----一切只為找到你，不管在世界的哪個角落

自從寒假回家，目前為止橋哥已經(jīng)在家宅了半個月，終于可以出篇技術(shù)貼了。為了迎接年后從事的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)方面的工作，所以打算學學GPRS進行一下數(shù)據(jù)傳輸，不然以后怎么好意思講是做物聯(lián)網(wǎng)的呢。用GPRS傳GPS數(shù)據(jù)是一件兩全其美的事情，因為又可以順帶學習一下GPS相關(guān)知識。對于帖子的名字，通常我們都會取得比較正式又顯得略微碉堡的樣子通常以“基于****的實現(xiàn)”為題，搞起來像篇論文一樣，但是實際上只是一篇隨性的學習筆記而已，網(wǎng)絡(luò)上很多前輩給我們提供了很多資料筆記，我們也應(yīng)該回饋上去一點。

下面簡單畫畫整個系統(tǒng)的框圖：

從框圖中可以清楚的看到整個系統(tǒng)的工作流程是非常簡單的，被監(jiān)測端采用的是Cortex-M3內(nèi)核的stm32微控制器，GPS負責接收衛(wèi)星信號，然后根據(jù)計算得到地標信息通過串口傳送給stm32，stm32接收GPS數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的打包處理再通過串口發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊通過基站傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)中向指定IP的端口PC發(fā)送數(shù)據(jù)包，服務(wù)器端上位機通過監(jiān)控該端口來捕獲數(shù)據(jù)，然后上位機通過串口再次將GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到Google地球或者其它導(dǎo)航軟件中實現(xiàn)對接，以便實時監(jiān)測觀察。在朋友的提示和幫助下，事實上本系統(tǒng)還加入了基站輔助定位功能，由于GPS衛(wèi)星信號的接收必須在室外，所以當被監(jiān)控端處于室內(nèi)或者在接收不到衛(wèi)星信號的惡劣情況下，系統(tǒng)仍然能夠通過基站信息定位到大致的區(qū)域。

GPS使用的是微科電子（香港）公司的VK1513模塊，選擇它主要還是價格方面比較經(jīng)濟實惠，實測效果也不錯。GPS模塊會每秒鐘發(fā)出數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包是遵循NMEA-0183協(xié)議的，可以看看我實際接收下來的數(shù)據(jù)包：

主要包含定位信息的是GPGGA以及GPRMC，兩個數(shù)據(jù)包中都包含有時間以及經(jīng)緯度等信息，因為我主要需要的就是當前的經(jīng)緯度信息就可以了，也為了減小GPRS數(shù)據(jù)傳輸負擔，因此我只選擇了將GPRMC這條數(shù)據(jù)進行傳輸，關(guān)于其數(shù)據(jù)包中具體每個數(shù)據(jù)的含義可以參照NMEA-0183的說明。值得注意的是，數(shù)據(jù)包都是以$開頭，以回車換行結(jié)尾的?；剀嚀Q行用轉(zhuǎn)義符號表示便是rn，這點忽視的話，那么服務(wù)器端與地圖軟件的對接將不會成功。

因此我在stm32的程序上做了判斷處理，只傳送GPRMC數(shù)據(jù)包，并且同樣為了再次減小GPRS傳送壓力，每接收到兩個數(shù)據(jù)包傳送一個就可以了。實現(xiàn)代碼如下

接收GPS串口發(fā)來的數(shù)據(jù)通過串口中斷實現(xiàn)，接收代碼如下。對于這段程序有點比較有意思的事情，這段代碼是在我單獨調(diào)試GPS的時候?qū)懙?，想法也很簡單，?觸發(fā)開始接收，遇到’n’結(jié)束，然后當時就出現(xiàn)了一個很不合我邏輯的問題，反復(fù)讀了幾十遍代碼沒有發(fā)現(xiàn)問題，如我注釋中寫的為什么放入結(jié)束符的那個地址要減一，這是實際調(diào)試出來的，就沒管它一直這樣用了，前幾天才意識到上面說的是以”rn”結(jié)尾的這個問題，這才恍然大悟，原來還有一個壓根看不見摸不著的’r’。這也受我們平時用電腦的習慣有影響，當敲下鍵盤上的回車鍵，實際上執(zhí)行了兩步操作，回車和換行，這誰看得見呢。

GPRS模塊采用的是華為GTM900C模塊，比較常見的一般也就是SIM900和GTM900，選擇華為的主要還是因為國產(chǎn)，數(shù)據(jù)手冊肯定有中文官方原版的，所以學習起來不那么費勁，橋哥可不想在大好假日被英文給磨掉學習的信心。對于其TCP/IP鏈接的建立，可以參照華為GTM900TCP_IP使用指導(dǎo)書。我在程序中已列舉了我所用到的AT指令：

實際上，這個指令定義的順序已經(jīng)表明了我在初始化GTM900C并進行TCP鏈接的初始化過程：

1、關(guān)閉回顯，回顯的意思是你給它發(fā)條指令它會原封不動的給你回發(fā)一份你發(fā)的指令，這里關(guān)掉，以便串口專心監(jiān)測GTM900C實際返回的參數(shù)

2、設(shè)置GPRS網(wǎng)絡(luò)附著，將模塊附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，下面的操作都是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)下進行的，設(shè)置它的目的是保證下面的操作能夠順利進行。如果已經(jīng)附著上GPRS網(wǎng)絡(luò)，而再次發(fā)送此命令，會返回ERROR 8，不過沒有關(guān)系不影響附著狀態(tài)，以防萬一每次建立鏈接我都發(fā)。

3、配置APN，即GPRS接入點的配置

4、進入TCPIP功能，網(wǎng)絡(luò)傳輸基于這個協(xié)議，那是必須。

5、域名解析，這點很重要值得特別說明。實際上GTM900C建立一條TCP鏈接最后用的都必須是這條指令：AT%IPOPEN="TCP","111.164.240.229",1332，這個指令里面包含的是我們接收端作為服務(wù)器的IP地址和端口。我們知道網(wǎng)絡(luò)上標識唯一一臺電腦的地址用的是IP地址，這個由于不好記誕生了域名，例如www.#，這個域名實際上也是指向了一個IP，為了讓這個域名指向IP就需要一個域名服務(wù)器來解析。而家里撥號上網(wǎng)，每次撥號都會動態(tài)的分配到一個IP，況且橋哥家最近是一天掉線20多次，IP隨時都會變化，不可能每次變化我都更改stm32的程序然后重新燒錄，因此我用的一個固定的域名xiaoiqiao.oicp.net來跟我的IP進行實時綁定，而GTM900C模塊每次建立鏈接都要先得到這個固定域名指向的IP，然后根據(jù)IP進行鏈接，確保無論我當前的IP是多少，它都可以正確連上我這里。而提供這個域名解析到IP服務(wù)的是花生殼這款軟件，注冊一個賬號便得到一個免費的域名，并且為該域名提供免費的域名解析服務(wù)。

6、正式建立一條TCP鏈接。得到上步所說的返回IP之后，經(jīng)過封裝，可以形成下面這條指令A(yù)T%IPOPEN="TCP","113.14.177.44",1332;后面的1332是綁定的端口名，大于256的都可以只要跟上位機軟件的監(jiān)聽端口對應(yīng)就行了，這里我固定為1332，因為它是我手機尾號非常好記。此時監(jiān)控端的上位機服務(wù)器要開啟監(jiān)聽了，否則，它跟誰鏈接呢。

上位機軟件啟動后會自動獲取到本機的IP地址，只要填好監(jiān)聽端口，然后點擊啟動服務(wù)就可以了。這里由于我的電腦經(jīng)過了路由器，所以IP是一個子網(wǎng)IP，要是沒有經(jīng)過路由器，這里的IP應(yīng)該是我們上面看到的那個113.14.177.44的外網(wǎng)IP。過路由器就會產(chǎn)生一些麻煩事情，因為路由器接收到GTM900C發(fā)的數(shù)據(jù)的時候，它怎么知道是給自己旗下的哪臺電腦呢，并且其默認安全設(shè)置是不允許外界對它管轄的電腦發(fā)送鏈接請求的，因此，我們還得設(shè)置路由器的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，跟它打好招呼，讓其接收到1332端口數(shù)據(jù)的時候，自動轉(zhuǎn)發(fā)到旗下的192.168.1.100這臺電腦里。

因此在校園網(wǎng)下，很難做這個實驗，校園網(wǎng)是一個大局域網(wǎng)，主路由器我們無法配置，永遠收不到被監(jiān)測端發(fā)來的數(shù)據(jù)。

7、接下來便進行判斷是否已經(jīng)正確建立了鏈接，如果正確鏈接了，模塊會返回CONNET參數(shù)，如果鏈接不成功， 那么將會返回ERROR: N，表示錯誤的類型。為了不那么麻煩，發(fā)現(xiàn)鏈接不成功則從頭開始繼續(xù)以上操作進行 鏈接，唯獨對于ERROR: 9進行了一步額外的處理。假如模塊之前正確鏈接了我們的上位機服務(wù)器，而由于某種原因網(wǎng)絡(luò)斷線，導(dǎo)致我們跟模塊的鏈接已經(jīng)斷開，而模塊卻沒有收到移動服務(wù)臺發(fā)出的斷開鏈接信息，此 種情況之后我們讓GTM900C鏈接服務(wù)器，它會認為之前的鏈接根本沒有斷開，因此返回ERROR: 9表示鏈接已經(jīng)存在，而事實是已經(jīng)斷開了，即使返回第一步重新操作一遍也是一樣的結(jié)果，這是非常危險的一個死循環(huán)，因此，我做的處理便是用指令”AT%IPCLOSE=5”把網(wǎng)絡(luò)注銷，注銷網(wǎng)絡(luò)必然斷開了所有鏈接，然后再從第1步初始化。當然每次鏈接失敗到返回重新初始化我有10s鐘的延時時間。

8、成功鏈接之后，便是設(shè)置IO模式，我用的是明文ASCII模式，即不需要什么轉(zhuǎn)換，stm32給它寫什么字符串GTM900C就會發(fā)出什么字符串，注意stm32給GTM900C的發(fā)送數(shù)據(jù)一定要封裝成以下格式：AT%IPSEND="發(fā)送字符串數(shù)據(jù)”;并且根據(jù)官方文檔推薦的，每次數(shù)據(jù)傳送不要超過512字節(jié)。

9、初始化配置完成之后，第一步便是獲取當前所用基站的信息，然后傳送給我們的監(jiān)測服務(wù)器，以便我們用來做基站定位使用。

10、接下來便是一直在等待GPS的數(shù)據(jù)接收完成，每接收完兩次GPRMC數(shù)據(jù)，便向服務(wù)器發(fā)送一次用來做GPS定位監(jiān)測。并且我還開啟了一個定時服務(wù)，系統(tǒng)運行每三分鐘會檢測一下是否與服務(wù)器還處在鏈接狀態(tài)，避免不可抗力因素造成斷線而GTM900C卻被蒙在鼓里。如果鏈接斷開，將會向服務(wù)器重新發(fā)起鏈接命令。如果鏈接正常，那么將會再次獲取一下基站信息，發(fā)送給服務(wù)器。所以服務(wù)器監(jiān)測端會每三分鐘更新基站信息，基站定位本來就只是個大范圍，沒有必要實時更新。

實際上，我在stm32上移植了uCGUI，進行相關(guān)信息的顯示，用以觀察當前的模塊狀態(tài)與命令返回參數(shù)，以便進行調(diào)試，例如此時返回的便是域名解析的IP地址信息。前段時間也移植成功了uC-OS-II但是我并不敢用于這里，因為對于這個實時操作系統(tǒng)我還非常不了解，以免給我調(diào)試增加不必要的難度。

接下來，我們來看看服務(wù)器監(jiān)測端，服務(wù)端就是我們用于監(jiān)控的那端，說它是服務(wù)器是相對于GTM900C來講的，因為GTM900C是以一個客戶端的身份跟我們進行鏈接。實際上它就是一個可以接受GTM900C的鏈接和數(shù)據(jù)的軟件而已。

此軟件是在XP系統(tǒng)VC6.0的環(huán)境下用VC++編寫的。使用的參考資料是明日科技出版的系列圖書，明日科技出版的系列編程圖書是不錯的資料，實例豐富，對于我這不專業(yè)的人來講，很多需要的代碼都可以直接從上面拿來主義，做些簡單的工控界面效果還是不錯的。四天前我做的界面其實不包括右邊部分的基站定位功能，用軟件截圖發(fā)了一條說說之后，一位朋友跟我聊天提到這個基站定位，在前天全部調(diào)試測試完成之后，我決定再用一天時間加上這么一個基站定位功能，實現(xiàn)這個功能涉及到的是一些數(shù)據(jù)庫相關(guān)的操作。

實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)的接收其實還是簡單的，收到的數(shù)據(jù)里面也已經(jīng)有了經(jīng)緯度信息，這些經(jīng)緯度信息如何才能顯示在地圖上，當然是使用現(xiàn)成的地圖軟件了，但是數(shù)據(jù)怎么發(fā)給它們，我們沒有它們的源代碼，就像一個黑匣子，我們只有接口，并不知道里面是怎么實現(xiàn)的。那我就直接利用這個接口給它發(fā)數(shù)據(jù)便是最簡單的方法了。并且我使用的是硬件接口從而完全繞開軟件接口的開發(fā)難度。因此我的方案便是用兩個串口直接對接，GPRS接收服務(wù)器將接收到的GPS數(shù)據(jù)通過其中一個串口發(fā)送出去，然后另一個串口便會收到數(shù)據(jù)，這個串口的數(shù)據(jù)就會自動被地圖軟件讀入，這樣就簡單的實現(xiàn)了與地圖軟件的對接。這方法親測對Google地球是可行的，對一般的只要是可以接收串口數(shù)據(jù)的導(dǎo)航軟件也必都是可以的，它沒有理由不行！

基站定位的實現(xiàn)原理也是比較簡單的，前面說了stm32會每三分鐘獲取一次基站信息然后傳回服務(wù)器監(jiān)測端，那么我們就可以通過傳回的信息檢出LAC碼和CELL碼，這兩個碼唯一對應(yīng)一個基站，就跟我們的身份證一樣，那么我們只要通過這兩個碼來搜索數(shù)據(jù)庫找出這個基站所在的經(jīng)緯度便可以了，我手上這份數(shù)據(jù)庫是比較老的，只有3萬多條記錄，不過我只是拿來做個試驗，提供一種實現(xiàn)方法而已也就夠了，沒有的記錄我可以通過網(wǎng)站的在線查詢補充進去就可以了。

從數(shù)據(jù)庫中得到經(jīng)緯度之后，為了能夠在地圖上顯示，我需要做的便是將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)封裝成一個符合NMEA協(xié)議的GPRMC數(shù)據(jù)包。前面說了GPRMC中包括經(jīng)緯度信息但是也包含其它信息，但是那些信息對于我們定位不重要，因此其它的信息我隨便整了數(shù)據(jù)包里面的字符代替之就可以了。值得注意的是，數(shù)據(jù)庫里提取出的經(jīng)緯度是以dd.dddddd的形式的，而GPRMC中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)是以ddmm.mmmm格式的，還需要簡單的單位換算處理下，有換算和處理必然帶來不可避免的誤差，還有需要注意的是NMEA協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包的最后兩位字符是校驗值，也就是$和*之間所有字符的異或結(jié)果，如果校驗結(jié)果算得不對，地圖軟件也是無法識別的，再者就是別忘記了末尾加上”rn”。在VC中實現(xiàn)代碼如下

接下來，我們便來實測一下系統(tǒng)運行效果吧

首先，附上GRPS數(shù)據(jù)發(fā)送端的整體運行實物圖：

GPS天線放在窗戶外面就可以收到衛(wèi)星信號了。然后打開監(jiān)測端的上位機軟件，開啟GPRS服務(wù)模式，等待客戶端鏈接，鏈接成功之后，首先發(fā)送過來的是基站信息，然后開始源源不斷的發(fā)送GPS數(shù)據(jù)

可以發(fā)現(xiàn)基站信息已經(jīng)顯示，但是基站的經(jīng)緯度還沒有顯示出來，原因是在GPS定位模式下，我默認是不進行對基站數(shù)據(jù)庫搜索的。

然后打開串口，開始與Google地球進行對接定位：

與Google地球?qū)拥臅r候，波特率一定是要選擇4800的，Google地球端也需要進行如下配置：在Google地區(qū)的工具/GPS菜單下，選擇實時模式，然后選擇NMEA協(xié)議，勾選自動遵循路徑復(fù)選框，點擊開始，Google地球便自動搜索符合條件的串口數(shù)據(jù)進行定位。

幾秒之后，Google地球自動華麗的飛越到GPS數(shù)據(jù)定位的地方

黃色小點的那個地方就是我家了，精度還是不錯的。我家就是在那座小山前面。

下面，來試試基站定位，在右下方定位數(shù)據(jù)輸出方式那里點擊基站定位按鈕，對比前面的圖可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯度已經(jīng)顯示，這個經(jīng)緯度是從數(shù)據(jù)庫中搜索得到的，然后此時軟件給Google地球發(fā)送的數(shù)據(jù)便不是GPS傳的實時GPRMC數(shù)據(jù)了，而是軟件根據(jù)基站的經(jīng)緯度計算出來的偽GPRMC數(shù)據(jù)，因為在計算的時候也是完全遵循NMEA協(xié)議的，所以Google地球同樣能夠接收。

可以發(fā)現(xiàn)，那個基站在離我家不遠的右上方，實際上它的真實位置在靠左邊一點呵呵，前面說了計算誤差，不過沒有關(guān)系，基站定位本來就是一個大概。你再細心一點可以對比前面的畫面發(fā)現(xiàn)，它顯示的時間是1月13號1:14分與今天的時間相差很遠，那是因為我在計算偽GPRMC數(shù)據(jù)包的時候除了經(jīng)緯度之外，其它的信息用的是很久之前收下來的數(shù)據(jù)，不過這也沒啥影響。

下面再用靈圖導(dǎo)航軟件來看看：

同樣可以成功定位，不過它看起來沒有Google地球好看，Google地區(qū)上能看到通進我們村的小路，這軟件對于我們這種山溝地方肯定是懶得更新了。

好的整個系統(tǒng)構(gòu)成就是這樣，今天是小年夜，過幾天便是新春佳節(jié)了，在這里祝大家新春愉快，合家歡樂！

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