基于北斗BDM100模塊的兩種家庭監護終端設計方案解析

隨著社會的發展，我國人口老齡化越來越嚴重，對于老人的監護成為了一個社會問題。本文根據老人監護的需求特點，利用我國自主研發的北斗衛星定位系統，結合北斗定位模塊BDM100設計了兩種針對不同需求的家庭監護終端方 案，用于對老人進行實時定位，并將實時位置信息傳輸到監管人手中。第一種方案采用支持3G網絡的EVDO模塊MC8630，結合以ARM9為內核的 AT91SAM9260芯片進行位置信息回傳，該方案具有傳輸迅速，可擴展性強的特點，可以為以后傳遞身體信息，環境信息提供擴展空間。第二種方案采用支 持2G網絡的GSM模塊GTM900，結合以Cortex-M3為內核的LPC1766芯片進行定位信息傳送，該方案結合良好的軟件設計，具有成本低，性 能穩定的特性。經過實驗檢測，這兩種方案都能很好的解決家庭監護中老人的實時定位問題。
　　1 BDM100模塊設計
　　BDM100模塊是一款雙系統高性能的GNSS模塊，能夠同時支持BD2 B1，GPS L1兩個頻點，很好適應低成本，低功耗領域，可以進行大規模的北斗系統集成應用。模塊的結構框圖如下圖所示：
　　
　　圖1 BDM100模塊結構框圖
　　從 芯片結構框圖中可以看到，BDM100支持UART，SPI，1PPS，I2C等多種接口。其可以通過相關器，FFT和匹配濾波器混合應用以及算法優化， 在各種復雜環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和高質量的原始觀測數據，可以保證很好的授時，導航精度。BDM100芯 片可以采用多系統混合定位的方式，這樣可以提高定位精準度，因為本文采用北斗定位系統，所以只選取其北斗定位功能。另外，BDM100芯片有3個串口，用 戶可以自行設置其波特率，默認波特率是9600，并且可以通過串口3進行固件升級。該模塊的定位精度可達到3米，測速精度可以達到0.1米/秒。本系統采 用的外圍應用電路圖如下：
　　
　　圖2 BDM100模塊外圍電路圖
　　本系統的兩個方案均使用串口1與MCU通訊，串口3預留出接口以便日后升級。特別注意：模塊正常啟動時，在復位信號有效期內，保持串口3輸入引腳電平恒定為 高，否則模塊將進入升級固件模式，無法正常啟動。模塊復位信號低電平有效，且持續時間不得小于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，之后跟有不定數目的參數或數據。消息名與數據之間均以逗號（0x2C）進行分隔。表示輸入的消息可 以以‘\r’（0x0D）或‘\n’（0x0A）或兩者的任意組合結束，而表示輸出的消息則全部以‘\r\n’組合結束。消息名和參數中的字母均不區分大小寫。
　　BDM100模塊在使用之前需要進行初始化，初始化過程就是模塊和主控芯片之間進行消息交互的過程。BDM100模塊具有授時和定位功能，本系統只用到其定位功能，所以對于授時功能的初始化不做描述。
　　本系統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，需要將波特率設置為115200（默認波特率9600），具體命令 為：$CFGPRT，3，h0，115200，3，3。由于本系統用到的是北斗定位系統，而BDM100模塊可以支持GPS和北斗混合定位，所以需要在初 始化時將模塊設置為北斗定位模式，可以采用兩個命令實現—CFGSYS/CFGNAV，具體命令為：$CFGSYS，h10或 者$CFGNAV，1000，1000，3，2。對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
　　本系統中用到的輸出需要地理位置信息和對應的時間信息，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，因為GLL消息比RMC消息 短，信息效率比較高，所以系統在設計中采用GLL消息進行傳送。因方案中連接的控制芯片處理能力限制，GLL消息需要設置其輸出頻率為1次/秒，而且其對 應的類別和ID號分別為0和1，通過查找對應芯片軟件手冊得知GLL消息的最高輸出頻度為1Hz，所以利用CFGMSG設置其頻率用的具體指令 為：$CFGMSG，0，0，1。
　　當把以上內容處理完成，需要將設置進行保存，用到的指令為：$CFGSAVE。
　　初始化完成以后，BDM100芯片就會以1次/秒的速度通過接口向外輸出數據，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方案設計與實現
　　以3G方案設計的監護終端采用ARM926EJ-S為內核的 AT91SAM9260芯片作為主控芯片，該芯片具有性能穩定，外圍接口豐富，內嵌以太網，具備快速RAM和ROM，支持LINUX操作系統的特性。消息 回傳的3G芯片采用EVDO模塊MC8630，3G服務要求網絡具有較高的數據吞吐量，EVDO模塊支持中國電信CDMA2000提供的所以數據分組業 務，對于無線數據接入業務，EVDO的接入速度已經接近有限ADSL上網的水平，而且采用此種方式，數據傳輸穩定，為以后的性能擴展留下空間，滿足方案設 計要求。
　　2.1硬件設計
　　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送穩 定性的同時，還可以為以后的性能擴展提供空間。對BDM100模塊和主控芯片的連接具體電路見圖2，而對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 軟件設計
　　在主控芯片AT91SAM9260上使用linux作為操作系統，該操作系統已經在眾多嵌入式設備上面使用，其穩定性已經得到了驗證。
　　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中配置完內核之后，利用串口通信接口進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如下：
　　在進行串口通信時，要先對串口進行初始化，對應執行Serial_init函數。
　　具體格式：
　　int serial_init（char *dev， int speed， int is_block）
　　其中dev是設備文件地址，speed是串口波特率，is_block是設置在初始化不成功時，是否阻塞等待，直到初始化成功。
　　初始化函數通過調用static int open_dev（char *dev， int is_block）函數來打開設備文件，其中dev和is_block參數和初始化函數中的意義一致。打開成功，返回設備文件描述符，否則返回-1。通過 調用static void set_speed（int fd， int speed）來設置波特率，其中fd表示設備描述符，speed表示速率，在調用此函數時，要停止串口工作。
　　初始化完成后，就可以進行數據的讀寫，讀函數為：
　　int serial_read_timeout（int fd， char *str， unsigned int len， unsigned int timeout/*ms*/）
　　此讀函數是帶有超時機制的串口讀，接收的數據放在str的字符串中，fd表示設備文件地址，len表示讀取的長度，timeout 表示超時時間，ms級別，函數返回讀取的長度。
　　所謂的超時機制，是指程序利用此函數讀取數據時，會啟動一個線程，有數據時運行，無數據時阻塞，當線程有數據時，讀完數據，程序再繼續，如果超時還沒有讀完，則放棄讀取，程序繼續，一般在設置的時間內，程序都能讀完數據，這樣做是為了防止線程死鎖，無法結束線程。
　　串口發送函數具體格式為：
　　int serial_send（int fd，char *str，unsigned int len）
　　其中fd表示設備文件地址，發送數據放置在str中，長度為len。發送成功返回發送長度，否則返回小于0的值。
　　通過這樣的三個函數，就可以實現BDM100模塊與主控芯片AT91SAM9260的通信，可以完成相關的模塊初始化操作和信息的傳輸。