【学习笔记】智能家居（14）：一种可视化的定位系统设计
全球定位系统GPS是目前最先进的卫星导航定位系统, GPS卫星定位技术已经普遍应用于车辆防盗、人员定位等领域。但传统的GPS设备定位精度低、不能传输图像和续航能力有限等问题突出，虽然卫星系统可以查看道路信息，但由于其本身固有的缺陷，所拍摄的照片都是从上往下式的，而且是非实时的路况信息。因此研制一种定位精确、可视化、采用新型能源供电的定位系统很有必要。
针对以上问题，本文设计了一种基于OV2640传感器的定位系统，以图片信息加以辅助定位。OV2640可以直接输出压缩的JPEG格式图像，降低了图像的数据量，图像数据的发送时间大大降低。同时针对电源续航的问题，提出了以太阳能供电的方式为系统供电，确保系统不会因为电源问题而停止工作，为系统的长时定位提供最有力的保障。
1 系统硬件电路设计
定位系统主要由6个模块构成，其硬件结构框图如图1所示。
1.1 单片机控制模块
单片机控制模块对GPS定位数据进行分析，并根据用户的设置做出相应的处理。单片机控制电路选用STC12C5A60S2单片机，它是1个时钟/机器周期、低成本、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；具有8路高速10位A/D转换，60 KB的Flash程序存储器和1 280 B的片内RAM，应用于定位系统中非常理想；内部集成MAX810专业复位电路，提高了电路的整体可靠性。STC12C5A60S2与通信电路通信连接如图2所示。
1.2 电源管理模块
MCU需要一个稳定的电源供电才能正常工作，因此电源管理模块的设计对系统的工作起着至关重要的作用。电源管理模块主要分为太阳能充电电路和供电控制电路。太阳能充电电路由单晶硅太阳能电池片和充电电路组成，防止系统在电源耗尽时无法查询到被保护对象的信息，提高系统的长时可靠性，太阳能充电电路的设计可参阅参考文献。
供电控制电路由9 V锂电池提供电源，由LM2576S、MIC29302和AMS1117作为电压转换芯片，分别输出5 V、4.2 V和3.3 V为单片机模块、GSM/GPRS模块、GPS模块和摄像头供电。
1.3 图像采集模块
图像采集模块包括CMOS图像传感器OV2640、驱动电路、红外LED，如图3所示。从OV2640获取图像数据，需要用到的信号线包括：8位数据总线、帧同步信号VSYNC、行同步信号HREF、像素同步信号PCLK，其时序图如图4所示。当VSYNC为高电平时，表示一帧数据已经准备就绪；当电平翻转时，则表明一帧图像数据传输开始。当HREF无效时，则不输出像素同步信号。为了使OV2640获得夜间拍摄能力，在电路的设计中添加了红外LED。
1.4 GPS卫星定位模块
卫星定位模块主要负责接收定位数据，本设计选用瑞士U-blox公司的第6代高灵敏度小型化NEO-6M卫星定位接收模块，其具有多达50个通道卫星接收功能，同步追踪GPS卫星信号；并有多个电源工作模式可供选择以降低功耗；串口通信波特率(b/s)有4 800、9 600、38 400、57 600四档(标准设定为4 800 b/s)；该芯片的定位精度在2.5 m以内；接收灵敏度冷启动为-144 dBm、跟踪灵敏度为-160 dBm、捕获灵敏度为-160 dBm，因此非常适合本次设计。卫星定位模块电路图如图5所示。
1.5 GSM/GPRS通信模块
GSM/GPRS通信模块包括SIM卡电路和GSM电路。其作用是实现被保护对象与监控用户之间的数据通信。系统采用SIMCOM公司的SIM300模块，支持AT命令集实现双向传输指令和数据，通过运用2 B的UNICODE编码（USC2）的协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）编码实现与业务应用模块的通信。工作在EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz和PCS 1 900 MHz 3个频段，支持中文短信和彩信（SMS）。GSM/GPRS通信模块的设计可参阅参考文献。
1.6 数据接口电路
STC12C5A60S2单片机与GPS接收机、GSM模块通信采用MAX232芯片，通过MAX232口可以完成对GPS接收机和GSM模块的配置。而MAX232接口芯片是专门为PC和RS232串口设计的电平转换电路，它利用电荷泵倍压器电路，可以将5 V的供电电压转换成正负电压的电器特性，可以实现在单电源供电情况下的正负电源的应用。
2 主要软件设计
本系统设计的编程环境是Keil C51，整个系统的软件编程采用模块化的设计思路。当需要查看保护对象的定位信息时，可以发送短信到GSM模块，通过串口使单片机接收到信号后，控制GPS接收器接收对象的位置信息，并将接收到的位置信息传送给单片机后，再通过GSM模块发回到监控用户的手机上；为了弥补GPS存在的误差，可以使用系统中的图像采集电路，将采集到的图像数据通过GPRS网络发送到手机上显示。系统的程序主要包括GPS模块程序和图像采集模块程序。
2.1 GPS模块程序
GPS接收机每隔1 s向串口发送一串字符串，根据GPS接收器模块型号的不同，字符串的开头字段也不同，主要有$GPRMC和$GPGGA等。U-blox NEO-6M采用的是$GPGGA开头方式。为了保证接收到的是有效的数据，必须对语句进行判断，判断是否以“$GPGGA”语句为开头。如果无效，则丢弃数据包，读取下一次的定位数据。GPS定位流程如图6所示。
2.2 图像采集程序
通过VSYNC为高电平时判断一帧图像的起始位置。当PCLK为下降沿时读取8位总线数据，等待VSYNC由高电平变成低电平时，将存入内存的数据经GSM模块发送出去，完成图像数据的采集与发送。图像采集流程如图7所示。
3 测试结果与性能分析
3.1 定位精度测试
对所开发的定位系统进行试验，测试地点为金华城区，测试包含有隧道、山顶、市中心等6个情况较复杂的地点。用专业高精度的GPS接收机测定这6个点的位置坐标作为标准值，与测试系统在同一位置得到的6个点的坐标进行对比，测试结果如表1所示。
3.2 图像采集测试
图像数据帧的起始标志为0XFFD8，结束标志为0XFFD9。尽管图片经过压缩，但还是得到较为清晰的图像，如图8所示。
实验结果表明，用本文系统采集得到的位置信息与标准值的误差不超过2 m，其误差主要是由GPS本身的误差所导致的。若采用更高频的GPS（20 Hz以上）接收模块，可进一步提高精度；图像数据也较为清晰，实现了实时实地的图像采集；系统运行稳定，在整个测试过程中无任何自动关机、死机等现象发生；太阳能充电电路也能保证非常好的续航，其发热性和抗干扰性能均反应正常。该技术可以应用于视觉导航、车辆防盗、老人、小孩定位、犯人管理等领域，经济效益显著，具有较好的市场竞争力。