基于北斗卫星定位的预警系统.doc

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计基于北斗卫星定位的预警系统学 院： 工业自动化学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 鲍志远 学号： 15040414951 指导老师： 陈婷 职称： 教师 中国珠海二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人所呈交的毕业论文基于北斗卫星定位的预警系统是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。承诺人签名： 日期： 年 月 日基于北斗卫星定位的预警系统摘要北斗全体系的建设开始于1994年，在20年来技术持续迭代、高精度卫星相继升空的背景下，2020年3月19日19时55分，第

2、54颗北斗导航定位卫星到达太空，我国北斗基本形成了覆盖全球的服务能力。交通行业是北斗体系在公开层面最核心的应用场景，由于体系初成，我国北斗在部分方面的应用还不成熟，但可以预期北斗系统能带给我们的是交通事故率的大幅度的降低、星罗密布的运输线路变得有条不紊。基于北斗卫星定位的预警系统的设计目的就是为了进一步的探索我国北斗系统在道路运输行业的应用所具有的巨大潜力。本设计基于STM32和北斗模块的基本知识，在简单一对一导航的基础上拓展多点位间的相对距离预警，点位间通信采用Zigbee无线传输，在相对距离过大时由GSM模块和指示灯向用户发出预警，藉此将野外运输的风险率控制在较低水平。关键词： 北斗；GS

3、M；相对距离；预警The early warning system based on Beidou satellite positioningAbstractThe construction of the Beidou system began in 1994, and over the past 20 years, the technology has continued to iterate and high-precision satellites have been launched at 19:55 on March 19, 2020, the 54th positioning sa

4、tellite arrived in space, and Chinas Beidou basically formed a global service capability.The transportation industry is the core application scenario of Beidou system at the public level. Due to the early completion of the system, the application of Beidou system in this aspect is not yet mature, bu

5、t it can be expected that the Beidou system will bring us a substantial reduction in the traffic accident rate and orderly transportation lines with dense network.The early warning system based on Beidou satellite positioning is designed to further explore the great potential of Chinas Beidou system

6、 in the road transport industry. This graduation design is based on the basic knowledge of the STM32 and beidou module, on the basis of simple one-to-one navigation to expand more point early warning, the relative distance between the point communication using Zigbee wireless transmission, all point

7、 by Beidou positioning data to calculate the relative distance, when the relative distance is too large by GSM module and light warning, whereby the wild transport rate control in the low level of risk.Keywords: Beidou; GSM; Relative distance; warning目录1 预警系统介绍11.1 我国北斗体系的发展史及现状11.2 北斗系统的主要应用场景21.3

8、北斗标准与国际接轨31.4 现阶段的不足42 预警系统创新点和系统构成52.1 局域监控与北斗体系互补52.2 预警系统构成63 预警系统的硬件83.1 BDS/GNSS全星座定位导航模块83.1.1 型号选择83.1.2 A-GNSS与Flash93.1.3 注意事项93.2 ARM公司及STM32的简介103.2.1 ARM公司及STM32的基本知识103.2.2 STM32的数据传输和固件库使用103.3 GSM和Zigbee模块113.3.1 GSM模块113.3.2 Zigbee无线模块133.4 OLED的选用原因及参数144 预警功能的实现164.1 北斗定位模块的使用164.2

9、 相对距离的计算194.3 OLED204.4 GSM报警224.5 原理图和整体实物图24参考文献26总结及感谢27附录28附录一：实物、设计图和程序28附录二：外文文献及译文431 预警系统介绍1.1 我国北斗体系的发展史及现状我国的北斗卫星定位系统最开始建设于90年代，从区域覆盖到全球覆盖，从有源到无源，跟我国的社会主义建设一般，有着我国自己特色的建设历程。自94年中央决定启动北斗一号工程开始，北斗系统就寄托着全国航天人的期盼。当时美国GPS等系统都已经完成了全球覆盖，对于导航系统建设最有利的的频段早已被占用无数先辈顶着巨大的压力最大限度的挤出一小段频率提供给北斗使用，这不起眼的一段只有

10、黄金频段的四分之一，但是却拉开了中国北斗建设的伟大序幕。建设的过程无疑工作量是庞大且复杂的，在7年的北斗申报期限就快到期时，具有着跨时代意义的北斗卫星终于克服所有障碍飞向了太空，给未来的路做好了第一次铺垫。通常空间定位要想实现覆盖至少需要三个卫星，但是我国的技术并达不到这个水准，所以在定位方案上我国用了与众不同的方式，使用了两颗定位卫星，即将地球的中心点模拟成卫星、再使用两颗同步卫星搭建成星座，完成对覆盖地区的迅速定位。早在20年前北斗最初的一号系统就已经完成建造，其功能覆盖了整个中国，达到了预定的计划1。时间在此基础上往后推移10年，在相对很短的时间内二号系统的建设就走向了成功，覆盖区域扩大

11、了一倍有余，系统功能从国家级上升到洲级，在计划中的今年，我们要完成整个体系的建设，完成最初的北斗梦想让我国的卫星系统拥抱整个地球，至此北斗系统承载着无数人的寄托终将走向成功。（图1.1）为北斗二号在太空中打开太阳能板的场景。图1.1 北斗二号1.2 北斗系统的主要应用场景北斗系统的最广泛的应用场景是交通运输领域，在我国每时每刻都有成百上千万的车辆运行在道路上，无论是商业运输还是私家车都面临着一些潜在的风险。搜救人员即使行动再快也需要大量的实践进行定位和搜索事故地点然后再赶到事发地进行救援。道路事故能否及时的实施救援和保障人员财产和生命安全最大的难点就在于如何迅速、准确的找到事发地点。这个问题困

12、扰了搜救实施者很长的时间，因为事故多发地往往位置偏僻，视野不好难以观测和抵达，同时伴随着相对恶劣的天气或是生存条件，相当多的事故甚至连事发地都无法确定更难以谈论如何施救。以我国西部地区为例，我国有很多旅行爱好者喜欢前往广袤无垠的西藏和新疆地区，因为一望无际的雪山戈壁，蓝天白云是在繁华地区永远也见不到的，可是正因为太过于宽广，补给点和救援地点相对稀疏，近年来发生了多起失踪事件，在出现了事故的时候没有人知道，偏僻的戈壁高原由于信号不好也难以发出求救信号。最终的结果都是悲惨的，搜救人员进行了长时间的拉网式搜索甚至都没有找到事故发生地点。有了这个例子我们再假设出行的车辆都装备了北斗定位系统，由北斗监控

13、调度中心实时的进行监测，车辆的位置信息在有信号的时候都会实时更新在监控系统上（图1.2）。一旦车辆位置信号消失，系统将会记录下最后的位置2。假设此时发生事故，那么搜救行动的范围将会被确定在一个较小的区域之内，耗时就会大大减少，一定程度上提高了车辆出行的安全程度，也使得装载了北斗系统的车辆在出行时减少了许多顾虑。图1.2 定位监测在渔业海事以及农林方面，北斗系统同样起到了不可忽视的作用，通过北斗对大范围农林地区布局的实时观测，农业机器在进行运作时以最高效的路线完成各自的工作，形成了完美的配合，这种高效的配合直接影响农作物的产量和机油的消耗量，极大的降低了运作成本，提升了作物的产量，带来的好处也远

14、不止于纸面上所提到的。在海洋渔业方面，因为北斗系统的存在，使得紧急事故的救助、消息的公布、船只出入港口的管理更加有序。我国现阶段已经有数十万余船只接入了北斗系统的管控范围，在未来有望进一步提升和完善海洋渔业的安全性、条理性。1.3 北斗标准与国际接轨根据我国北斗系统的实际建设和技术现状以及对未来的规划，自2011年起官方就已经开始着手起草空间信号B1I、B1C、B2A和B3I接口控制文件（ICD），性能规范文件（PS），逐步开始确定北斗系统的定位，为了进军全球定位市场开始做好准备3。在国际民用航空组织大会上，理事会正式同意北斗系统逐渐进入其标准框架，为北斗在航空领域的发展奠定了坚固的基石。20

15、14IMO海上安全分委会在经过尝试间的商讨后终于将北斗系统纳入世界无线电导航系统，此次会议也使得北斗成为全世界第三个被国际海事组织认可的世界无线电导航系统4。北斗标准跟国际标准的对接毫无疑问是从国家走向国际必须要迈出的一大步，通过了十几年的不断接洽商讨、技术攻关，随着时间的推移，北斗系统已基本完成与国际标准的接轨，从此北斗将从服务国家变成服务全球的系统。图1.3 中阿国际合作论坛现场2018年中国首个海外北斗中心在突尼斯建成，且初步尝试在当地可接受4-8个北斗卫星的信号传输，测试结果信号传输质量较好，这是中国第一次在海外建设北斗中心（图1.3），北斗的先进技术也很大程度上加强了北斗服务阿拉伯联

16、盟地区乃至全球进展的重要环节。例如，当时最新的系统搭载的氢原子钟计时器，在技术含量上远远超过前期的计时方式5。计时系统的准确与否会极大程度的影响定位的精度，因为从太空将讯号传输回地面需要一定的时间，时间的偏差会影响整个导航系统的定位质量，全世界各大导航系统的竞争当中，时间的准确性起到了决胜的作用3。并且经过迭代后的系统依旧拥有文字传输服务，这项功能足以使北斗脱颖而出，也同样是其他国家希望努力做到的方面。文字通信可以是对象与对象，对象与终端，终端与对象的通信。通常情况下对象之间单次可进行30字左右的通信，在标准进一步提升之后甚至可以达到100字以上。再者，传输的信息在进行转化之后可以提供给北斗系

17、统的各种产品，包括但不仅限于搭载北斗系统的手机、手表、监控系统等等各类终端，省下了很多的步奏，跟普通产品之间的交流通信是报文系统自身独有的能力。并且在已知的很多前沿领域技术中，北斗所拥有的竞争力已经完全超越了其他国家的导航系统。此外，北斗体系之中有数量众多质量上乘的产品，中国的卫星导航产业价值已经达到4000亿元左右，通过与“丝绸之路”经济带的结合，参与了许多重要的国际合作项目6。也就是说“丝绸之路”经济带的建设与北斗系统的崛起时相辅相成的，对于沿线国家来说北斗系统能够很大程度的推动其与中国对外经济技术合作的转型升级。沿线国家能够借此产生更加紧密的联系形成相互依赖，且北斗并不局限于民用领域，在

18、沿线国家军事合作方面同样时不可或缺的。“丝绸之路”经济带建设以交通基础设施为第一突破点，第二是就是北斗卫星在交通运输方面的应用。这使得对各国北斗系统的技术和服务产生了巨大的潜在需求，也进一步促进了我国北斗在全球范围内的崛起。1.4现阶段的不足北斗系统建设在今年年初刚进尾声，功能上有了大幅度的进步，但是对于导航应用方面并没有那么快落地。在未来十年可以预见的是，北斗全体系建成带来的质变会让定位系统如同3G网络到4G网络一样改变我国人民的生活，并掀起一场国内运输业的革命。但是不可否认现阶段的应用并不充分，例如，现在的北斗仅仅是覆盖了重点运输、港口高精度调控等领域。所有的定位信息由调度中心掌控，调度中

19、心处理，再传送给定位车辆。假设调度中心与车辆之间因为基站损坏、信号质量不佳等原因联系不到，无论北斗有多强大，信息都无法传给车辆端。这种过度依赖调度中心的情况普遍存在于现在的交通系统，一旦中心系统损坏就如同人体被重创了大脑，会导致全身瘫痪。长时间降低下来的事故率势必会因为一次故障回到没有北斗时的水平。而本设计的目的就是为了尝试解决庞大北斗体系过于依赖调度中心的不足。2 预警系统创新点和系统构成2.1局域监控与北斗体系互补为解决普通北斗过度依赖调度中心的情况，本设计采用了局域自主监控方式避开了定位数据传输到调度中心处理之后再传给车辆的中间步奏。数据接收和处理都交由预警系统自主进行，车辆之间信息通过

20、局域网络传输，确保危险预警功能与中心相互独立，在野外遇到紧急情况时车队之间及时互助降低生命财产损失。数据传输01卫星定位02基站处理03车辆接收 数据传输01卫星定位02基站处理03调度中心04车辆接收2.1预警系统数据流动 图2.2 常规数据流动由（图2.2）和（图2.1）的区别可看出预警系统的定位数据流动不需要经过调度中心，这一步的省略与卫星体系的建设和技术升级是密不可分的。时间回溯到3年前的这个时候，长征三号甲运载火箭刚把第23颗北斗导航卫星送入太空，并且卫星内部采用的都是使用铷原子钟计时，这要的覆盖率和计时精准程度远不足以支持像此设计一样预警系统的诞生。因为卫星传输回来的数据需要进行解

21、码、定位修正等一些列的处理（详见章节4.1），只有调度中心有这种处理能力，传输时间的增加和数据相互传输会直接导致定位失准。直至今年初，长征三号乙运载火箭将第54颗内部搭载氢原子钟的北斗导航卫星成功送到指定位置，整个北斗系统的覆盖能力和授时能力由量变带来了质变7。同一时间在任何一个地点的上空由2-3颗卫星覆盖上升到了5-8颗卫星覆盖，联合定位和氢原子钟带来的精度提升大幅度降低了地面服务器的数据处理难度，也使得预警系统功能得以实现。2.2预警系统构成本设计由三个部分组成分为1个主板2个从板（A、B）主板硬件包含：STM核心板1个、GSM模块1个、声光报警器1个、OLED电子屏1个、北斗模块1个、Z

22、igbee无线模块1个、USB供电电源电路1个。从板硬件各包含：STM核心板1个、北斗模块1个、Zigbee无线模块1个、USB供电电源电路1个。（表2.1）为预警系统各部件的功能介绍以及原理图和封装截图表2.1 预警系统的构成功能模块原理图封装（1）GSM:在相对距离达到预设的危险值时向用户手机发送报警短信。(2)OLED: 显示A、B从板与主板之间实时的相对距离，以及各模块在开机时的加载状态。(3)Zigbee：板块之间数据传输（4）北斗模块：进行定位、授时（5）USB供电电路：通过USB接口给各板块供电，每个板一个（6）STM32：数据汇集、计算、输出（7）声光报警器：在距离达到危险值时

23、进行报警其中每一个主从板都配有一个USB供电模块，通过USB接口进行供电，通常情况下，每个北斗模块配有一根陶瓷天线进行搜星和信号传输，Zigbee和GSM模块也需要一根天线，而北斗的天线根据实际情况考虑可以外接，例如在实际应用时，从板放在汽车室内将天线外接到车顶，如此可以保证信号质量不会因为车辆自身的原因减弱，同时外接天线的功能可以根据使用者的需求自己调整，因为在不同的地区使用预警系统所要的信号强度是不相同的。除了北斗模块之外，Zigbee的功能类似于一个能够无限通信的串口，可以假想为一根数据线，在配置好之后即可相互通信。从板主要功能为信号接收和数据传输，两块板功能、原件完全相同。主板进行数据

24、计算、OLED显示、GSM报警，两个相同的从板通过跳线进行区分。图2.1 系统运行流程（1） 在接通电源，天线放置好的情况下启动预警系统，首先会进行GSM初始化，随即开始入网时间大概20秒左右。（2） 紧接着三个板子的北斗模块都会进行2-3分钟的搜星过程，搜星时间会根据信号是否良好延长或者让缩短，实时的情况会通过OLED屏幕显示出来，一旦搜星成功OLED会出现主从板的位置信息并且信号灯会开始闪烁。（3） 位置数据是经过计算后每个从板距离主板的距离米数，如DisA=88m,DisB=66m，分别表示在某一个瞬间，A板距离主板88米，B板距离主板66米。（4） 当有一个点距离主板位置超过100米的

25、时候报警灯会开始闪烁，GSM模块会马上向事先设定好的手机发送报警信号，如“A车距离太远，B车距离太远”。当A或B相对距离再次回到100米以内时，对应报警信号就会解除、报警灯熄灭。3 预警系统的硬件3.1 BDS/GNSS全星座定位导航模块3.1.1 型号选择本设计采用的是ATGM336H型号的北斗导航模块，该信号的尺寸在同系列模块中属于较小和便携的一种，同时具备两级放大的双模天线，与一般装在车辆当中的GPS天线增益相同，信号强度适合在一些较为复杂的地区接收信息。而且此型号的模块可以通过多个国家的定位系统进行联合定位，同时也可以只用北斗卫星进行定位，有能力完成多卫星联合导航和精准的赋时8。本设计

26、之所以选择使用这个模块不仅仅是因为其通用性和强大的功能，还在于这个系列的摸块具有高灵敏度，低功耗和低成本的优点，价格也在可承受的范围之内。并且此模块也多用于车载导航、手持定位、可穿戴设备等等,完美的符合了预计实现的功能和应用的场景。模块参数如（表3.1），定位最大精度2.5米完全能够满足监测车队运动的需求。而伴随高精度定位的是高精度授时，两者在对于定位数据的准确度来说缺一不可。工作温度从零下40到85摄氏度覆盖了我国几乎所有的极端使用环境，并且测速精度也高于了预警系统的实际应用要求。表3.1 北斗模块参数项目数据项目数值冷启动捕获灵敏度-148dBm授时精度30ns跟踪灵敏度-162dBm定位

27、更新率默认最大10HZ续表3.1 北斗模块参数定位精度2.5米波特率范围4800bps-115200bps首次定位时间32秒信号接受北斗、全球卫星定位、格洛纳斯等功耗连续运行25mA电源供电2.7v-3.6v测速精度0.1m/s工作温度-40到+85摄氏度3.1.2 A-GNSS与Flash本设计所采用的北斗模块支持辅助全球导航功能，全球导航系统可以为定位提供定位所需要的众多信息，比如报文，相对准确的时间和坐标，这类信息使得定位更加的迅速和准确，定位过程中计算步奏的减少即用时的减少，所以此系列模块在交通运输行业备受欢迎，其安全性和高效性都可以为生命和财产提供强有力的保障。A-GNSS，即使用导

28、航系统以外的无线电系统提供信息协助，大幅度提升卫星导航信号的搜索跟踪性能与速度。这些额外的附加信息数据由GNSS基站接收GNSS信号获得，并且经过处理存入定位服务器，然后根据需要将这些卫星导航信息通过蜂窝移动通信网络，最为常见的是通过蜂窝小区的数据通道，发送给用户终端，协助终端进行卫星信号的搜索捕获跟踪，实现快速定位9。如此就有一大部分数据接收和处理任务分从导航系统本身分担给了辅助设备。用户虽然依旧可以在没有辅助功能的情况下进行定位，但是远达不到使用了辅助功能时的定位效率，而且不可以接收处理更加微弱的信号。反之，有了A-GNSS功能，可以明显缩短接收机首次定位时间，同时可以在受到一定遮挡的情况

29、下，或者半开阔区域，也能实现卫星导航定位1，这样一对比A-GNSS所带来的优势就显得非常明显。原装的Flash可以通过在线升级功能，更新定位功能与算法。因为这个功能的存在，使得在设计过程当中能够自主配置定位更新率，获得适用的低功耗。比如：定位记录，规则的地理围栏，自定义的输出格式等，使用的时候也可以在上位机中按照升级协议与模块通信，将中科微提供的新的软件程序升级到模块当中10，这也是此系列模块的创新点之一。同时，还可以采用远程命令的方式遥控设备启动这些升级过程，完成远程在线升级。3.1.3 注意事项模块在运行的时候不能够靠近其他频率高的数字信号，尤其在布局的时候模块下全部以地线填充最好。由于此

30、设计包含GSM模块和OLED模块以及Zigbee模块，信号在传输时难以避免有信号干扰，所以尽可能的将北斗模块和GSM及OLED分开，天线位置也尽量相互的远离，且天线的接口需要同时靠近RF输入引脚并配上了50欧的阻抗，以达到最佳效果。3.2 ARM公司及STM32的简介3.2.1 ARM公司及STM32的基本知识ARM公司是一个负有盛名的芯片企业，但在有一个关键的点上此公司与其他公司有着本质的区别，其公司的业务是设计处理器内核，然后将内核架构通过授权，同时配套相关的技术支持、技术服务，提供给全世界不同的厂商、公司使用。而他们的合作伙伴一般情况下购买其产品都是为了其核心技术，在购买后再进行进一步的

31、开发，换一句话说就是踩在巨人的肩膀上前进。所以也应证了一个道理，掌握核心技术的企业可以制定行业标准，而其他企业只能成为其延伸。全球的手机、平板电脑、数字机顶盒及嵌入式控制、数字处理等领域，ARM技术的处理器拥有着绝对的主导地位。ARM公司目前的内核架构，以Cortex命名，并分成A、R和M三类。其中STM32（图3.1），是ST意法公司基于ARM公司Cortex-M内核开发的32位处理器，具有高集成度，高性能，高性价比，低功耗的特点。目前STM32有14大产品线 F0、G0、F1、F2、F3、F4、F7、H7、L0、L1、L4、L4+、L5、WB，同时ST公司为自身旗下所有产品，提供了一系列的

32、开发资料（芯片文档、固件、软件、开发工具、使用手册等）11。图3.1 STM323.2.2 STM32的数据传输和固件库使用使用STM32，必然离不开固件库的支持，这同样也是ST公司提供的，固件库里面包含：固件函数包（每个函数，都有其功能的简述、使用方法步骤、参数选择等）、数据结构、宏等等内容。同样的我们在购买其产品之后就相当于获得了十分可靠的功能基础，所有的底层文件在成千上万次的使用和修改之后早已十分成熟。开发者只需关注功能开发层面，懂得如何使用库函数即可，不需要掌握底层硬件细节，这样，开发者可以大大减少编写程序的时间，降低了开发成本。STM32主要有4种输出模式：（1）开漏输出，只可以输出

33、强低电平，高电平得靠外部电阻拉高，适合做电流型的驱动，开漏输出模式吸收电流能力较强。（2）开漏复用输出，输出缓冲器受外设的信号驱动的开漏输出模式，例如将引脚设置为串口功能。（3）推挽输出，可以输出强高电平和低电平，输出模式一般设置为此模式，用于连接数字器件。（4）推挽复用输出，输出缓冲器受外设的信号驱动的推挽输出模式，例如将引脚设置为串口功能。4种输入模式：（1）浮空输入，就是逻辑器件的输入引脚即不接高电平，也不接低电平。IO引脚的状态完全由外部输入所决定的。这时CPU能够通过读数据的操作知道IO的电平状态。（2）上拉输入，引脚悬空的状态下，CPU读取到的电平状态为高电平，唯有当被外部输入信号

34、下拉时，CPU读取的电平为低电平。（3）下拉输入，引脚悬空的状态下，CPU读取到的电平状态为低电平，唯有当被外部输入信号上拉时，CPU读取的电平为高电平。（4）模拟输入，CPU读取的电平完全由外部决定，能够获取外部的模拟信号，通过ADC转换为数字量，如变化的电压值。3.3 GSM和Zigbee模块3.3.1 GSM模块GSM模块采用的是MCore-800C系列芯片，核心板采用的核心模块是 24M 的 SIM800C，此系列芯片支持蓝牙 BT 3.0。是一个工业级、多功能四频段GSM/GPRS模块，采用自弹式/翻盖式卡座，支持Micro SIM卡12。在数据传输方面上载最高速度为85.6kbps

35、，下载最高速度为85.6kbps。在选择SIM卡方面，本设计选用的是移动卡，手机接受端使用的是联通卡，由于电信的低频通信基站近年来已经基本消失，所以也是考虑到设计方便，给GSM模块直接绑定了自己的手机，方便测试。（图3.2）为选用的GSM模块主要功能：图3.2GSM功能图（1）传输控制协议（TCP）: 传输层协议 TCP，实现相对可靠数据传输。 （2）用户数据报协议（UDP）：传输层协议 UDP，实现相对节省流量的传输。 （3）电话功能（TEL）：可拨打和接听电话，用于报警及监听。 （4）短信服务（SMS）：可发送和接收短信，用于短信报警，监控以及远程控制。 （5）DTMF：用来保证通话双方的

36、信号传输质量，能够辅助排除众多客观因素的影响 （6）文件传输协议（FTP）：用来传输和储存数据，类似于一种服务系统。 （7）定位服务（LBS）：可以通过本身的基站来定位，也可以通过搜寻网络资源的方式进行定位。图3.3 GSM引脚排布（图3.3）中的VIN是直流电源输入的正极引脚，适用的电压范围为6-20V，PIN9为直流电源输入负极引脚；RXD和TXD分别为接收数据引脚和发送数据引脚。核心板通信引脚是TTL电平，所以内部的通信得使用TTL电平才可以。一般的电脑数据线接口供电能力都是足够的，所以我们可以直接采用电脑 USB 接口直接给模块供电，但是如果供电出了问题就会导致核心板频繁重启，也会一定

37、程度上影响设计进程，所以在开始设计之前就已经确定自己所用的电脑和其他独立电源有足够的供电能力，确保之后不会出现故障。此GSM模块只支持联通移动的2G网络，不支持电信，而且根据有关方面的消息移动公司的2G网络在未来5年之内都会继续运行，所以不必为此设计是否仅仅是短期有效而担心。（表3.2）为GSM模块常保持的七种状态及该状态下的模块运行情况。表3.2 GSM的工作状态正常工作正常工作状态下，运行按照参数执行GSM/GPRS 休眠当休眠开启，功耗会降到最低，但同样能够进行紧急通信GSM空闲当空闲模式开启，模块开始正常运作，处于时刻准备通信的状态。GSM通话通话功能开启，开始传输信号GPRS待机类似

38、于休眠状态，但在有需要的情况下可以迅速的恢复正常功能GPRS数据传输开始上传或者下载信息，根据配置的不同所产生的功耗也不一样关机模式调用AT+CPOWD=1进行关机，也可以使用关机引脚来关机，所有功能停止运行，接口也不能使用因为通信卡片十分容易受到干扰，造成读卡障碍数据丢失的现象，所以在本设计初始的设计阶段就严格的按照芯片的各种标准进行设计，尤其是PCB板布局的时候需要把卡槽摆放在距离天线较远的地方，卡槽的接地也要和GSM进行联通匹配，保持电位相等。3.3.2 Zigbee无线模块本设计使用无线模块的原因是需要在三点之间进行距离相对较远的数据传输（0-200米），从板在接收到了位置信息之后需要

39、实时的向主板传输自己的经纬度，再由主板经过计算得出相对距离显示在OLED屏幕上，之所以选择三个板都搭载一个独立的Zigbee模块是保证在实际交通运输的过程当中能够拥有相对稳定的局域信号传输，不受通信基站等客观因素的干扰。由于预警系统的报警距离在100米左右，相对于其他无线通信方式Zigbee是一个较好的选择。本设计所使用的Zigbee模块E180-ZG120B见（图3.4）是基于Silicon Labs EFR32MG1B系列发展而成的无线系统级芯片，尺寸为25mmx25mm，体积较小、低功耗、稳定性也强非常适合作为户外交通运输产品的组成部分。此型号模块将众多繁杂的协议都集中到了一个系统级芯片

40、当中，提供了数量充足的输入输出和其余功能接口，化繁为简，大幅减少了完成本设计所需要花费的时间和精力。图3.4 Zigbee芯片除通用的无线传输模块所具有的功能之外，此型号可以通过串口的命令在多个角色类型当中进行切换。其次，当局域网络当中的某些结点丢失的时候，依旧能够维持原有状态等待丢失的部分再次加入进来。在操作便捷性方面，用户可以设置自己需要开放网络的时间，在开放期间只要是符合对应标准的网络就可以加入进去。3.4 OLED的选用原因及参数OLED是近年来才开始普及的产品，其质量小，功耗低，能够使用的寿命长，尤其是相对于LED来讲18。虽然在很早的时候就被发明和生产出来了，也应用到了一些产品上面

41、，但是其价格相对较高，也只能用在定价很高的产品身上，十分低的性价比让OLED不具有普及的前提条件。随着科技的迭代和需求上的增长，屏幕制造的企业开始了大规模的量产，制造成本也随着规模的增大而减少。到2019年为止，相当大一部分电子设备配备的就已经是OLED屏幕而淘汰了LED，正是因为现在便宜的价格，也使得其开始被普及，即使是学生也能够承担的起19。图3.5 0.96寸OLED此设计采用了一块0.96寸的OLED屏幕（图3.7）可以让预警系统更加智能化的显示实时数据，让使用者更加清晰和直观的看到三点的位置情况，一定程度上避免了GSM模块或者报警器工作有延迟的时候预警系统就失控的情况。OLED的存在

42、也能够给预警系统起到锦上添花的作用，让系统在外观和功能上都与之前的系统有了明显的区别。同时也考虑到户外交通运输一半时间为白天而夜晚的时候同样难以看到实时的数据，而晚上也是最容易发生安全事故的时间。例如：OLED屏幕上会实时的显示北斗模块的加载情况，在开机北斗模块进行搜星的时候屏幕会显示加载项，在搜星成功之后经过计算的相对距离将会有序的显示出来并且进行实时的更新。相较于没有显示屏的时候驾驶员掌握了更多的主动权去控制驾驶风险。OLED引脚及参数见（表3.3），其兼容3.3V和5V控制芯片的I/O电平板子管脚依次为G(地)，3.3V/5V（电源），SCL(CLK 时钟)，SDA（MOSI数据），RE

43、S（复位）和D/C（数据/命令）。表3.3 OLED参数尺寸0.96寸RST复位（高电平 2.2V5.5V）通讯模式4线SPI、IIC 接口D/C数据/命令GND电源地SCL（D0）CLK时钟（高电平2.2V5.5V）VCC2.2V5.5VSDA(D1)MOSI数据（高电平2.2V5.5V）4 预警功能的实现4.1 北斗定位模块的使用本设计使用了三个北斗模块（主A.从B.从C），以主板为核心，通过计算A-B之间的距离和A-C之间的距离来决定是否报警。整个过程中的相对距离会实时的显示在液晶屏上，如何用计算出的经纬度，得出实时的相对距离是本设计主要重点之一。首先需要理解时间对于定位的重要性，导航卫

44、星内部的原子钟计时精度很大程度上就决定了导航系统的质量。原因在于卫星是在太空中绕地球飞行距离地面接收信号的基站距离大概在3.6万公里左右，讯号是通过无线电进行传输的，即使无线电传输速度十分的快，但是如此长的距离依旧需要很多时间会导致误差13。其次卫星所接收到的信号在传到用户手里之前还需要交给基站处理一段时间，如此累计下来时间的偏差可能会非常大。如果想要达到高精度的位置测量，时间的高精度是最核心的前提条件之一。所以在进行设计时，时间的计算是很重要的。以下是北斗模块功能实现的流程：第一步需要在在串口中断中调用GPSBDS_Receive()函数，测得准确定位信息后，GPSBDS_Receive_C

45、omplete置位，信息储存在GPSBDS_Data数组中。运行一次GPSBDS_Data_Decode()函数，将时间信息存入GPSBDS_Time_Data，经度信息存储在GPSBDS_Longitude_Data，纬度信息储存在GPSBDS_Latitude_Data，速度信息储存在GPSBDS_Speed_Data。当GPSBDS_Receive_Complete=0置位时，表示已经完整接收到一条有效的定位信息，接下来首先要做的是对时区进行校正图4.1时区校正时间校正过后就可以计算出准确的时间，这里的时间需要分开计算，首先是时、分秒，如下图所示，计算出的时间存入GPSBDS_Time_

46、Data数组当中，然后计算出年、月、日。图4.2时区计算以上步奏完成的是计算准确UTC时间的过程。在时间计算完成并存入事先定好的数组当中之后，就需要计算经度和纬度的数值，经纬度在整个预警系统的运作过程中起到的是核心的作用。由于本设计预定的目标只需要得出相对距离即可判断是否报警，所以虽然进行了精确到小数点后一位的海拔、速度的计算，可以作为预警系统本身进一步开发的空间。其次的原因也是考虑到功能如果做到齐全并且将北斗系统用到极致几乎没有这样的开发时间和条件，在设计之初有尝试过将实时的速度、年月日、时分秒和较高精度的海拔经纬度都作为预警系统是否报警的一个前提条件，但从GitHub、博客园等国内外比较知名的论坛中查阅了许多计算方法进行衡量之后，将报警条件一再删减至通过相对距离报警以减少工作量。接下来是进行经纬度的计算，以经度为例，为了简化计算所以经度只计算了整数位，计算之后得出了经度、分、秒，并存入Longitude_Data数组当中。纬度的计算方式见附录，在经纬度都计算完成之后需要再根据经度校正一次时区，因为时间、经纬度都已得出，所以再数据都存入预定数组之后需要发出完成定位的信号，如果定位失败则需要清除数据重新定位，定位是否成功很大程度取决于北斗模块是否有良好的信号条件，能否获取完整准确的信息。所以由于预警系统的载体通常是移动的车辆，位置随时在变动