袁广升，薛守钰，陈永，宋玖志

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

基于STM32的GPS信息采集与传输系统设计

袁广升，薛守钰，陈永，宋玖志

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

为了得到GPS采集到的地理位置信息，并将信息通过GSM移动通信网络传输给远程用户移动设备，设计一种基于STM32微处理器的GPS信息采集与传输系统。GPS接收模块接收卫星发出的导航电文，同时通过NEMA-0183传输协议与微处理器串口进行通信，处理器将解析出的导航电文所包含的经度、纬度、海拔、时间信息显示到LCD上，并通过GSM移动通信网络将信息发送至移动用户端。文章最后通过实验验证了该系统设计的可行性。

STM32；GPS；GSM

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.030

CLC NO.:TB21 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-86-04

引言

随着科学技术的进步，GPS导航定位技术在人们日常生活中应用的越来越广泛。GPS接收机连续不断的接收导航卫星发出的导航信号，导航信号经过处理器解析后，得到用户所需的地理信息，从而方便了车辆的定位及人们的日常出行。

本文从工程应用的角度出发，通过对STM32处理器的介绍，GPS定位技术、GSM移动通信技术的原理分析，提出了GPS信息采集与传输系统的设计方案。

1、系统中的关键技术

GPS信息采集与传输系统涉及到的关键技术包括：GPS全球定位系统技术和GSM全球移动通信系统技术。

1.1 GPS全球定位技术

GPS(Global Position System)全球定位系统，是由美国陆海空三军联合研制的新一代卫星定位系统，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机部分三大部分组成[1]。空间部分由高度约为2.02万千米的24颗GPS卫星组成，21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上，每个轨道面四颗，轨道倾角为55度。卫星的这种分布形式，使得全球的任何地方和任何时间都可以同时观测到四颗以上的卫星，并能保证良好的定位解算精度的几何图形，从而提供了全球导航能力。地面监控部分由主控站、注入站和监测站组成。GPS定位系统组成如图1所示。

图1 GPS定位系统组成示意图

1.2 GSM移动通信技术

GSM(Global System for Mobile Communication)全球移动通信系统，是目前非常成熟的通信系统，其增值服务—SMS (Short Message Service)短消息服务是基于GSM网络提供的传输数字或文字信息的服务。无需附加其他终端设备，就可以使手机与手机或手机与其他短信模块之间完成中、英文信息传输的目的[2]。随着工业智能化程度的提高，近几年，SMS技术主要应用在智能设备上，如工业现场的智能电表，它可以灵活的发送和接收各种信息，从而检测工业现场情况。

2、系统总体设计

GPS信息采集与传输系统主要由微处理器单元、GPS接收模块、GSM模块、LCD模块及JTAG程序调试接口组成。系统总体设计方案如图2所示。

图2 GPS信息采集与传输示意图

2.1 STM32处理器

本文微处理器选用ST公司生产的STM32处理器，该处理器是基于ARMV7架构的Cortex-M3内核，主频72MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K字节的SRAM，具有丰富的100管脚资源，完全可以满足本文设计的要求。

2.2 GPS模块

GPS模块采用ublox公司生产的高性能、低功耗ublox-NEO-6M模块，该模块可以通过串口及USB接口向单片机系统和电脑输出GPS定位信息。模块实物如图3所示。

图3 GPS模块实物图

2.2.1 GPS定位原理及方法

GPS接收模块工作原理：接收模块连续不断的接收到GPS导航卫星发送的无线电导航信号，导航信号通过串口进入处理器解析。根据已知的多颗卫星实际坐标，结合测量出来的GPS接收机到已知卫星之间的距离，将得到的数据进行解算处理，从而得到接收机的位置坐标及时间等信息[3]。

GPS接收模块定位方法分析：卫星上使用的是高精度的铯原子时钟，用户接收机使用的是普通的原子时钟，如果两个时钟是精确同步的，则卫星与用户间的距离R=C*t，其中时间t是假设卫星时钟与接收机时钟同步的情况下，信号从卫星传播到接收机所用的时间。但是，实际上两个时钟是无法达到精确同步的，即使两个时钟相差很小，再乘以信号的传播速度，即光速C，造成的误差也将很大，所以由于两个时钟存在的时钟差△t，实际测得的距离并不是用户和卫星间的真实距离，而是伪距（Pseudo Range），简称PR，即PR=R+ C*△t，当△t取正值，表示用户时钟慢于卫星时钟，反之表示用户时钟快于卫星时钟。GPS卫星定位分布图4所示。

图4 GPS卫星定位分布图

假设卫星时钟和接收机时钟同步，则卫星到接收机的距离：

但是由于两个时钟之间存在误差，则卫星到接收机的实际距离：

其中，已知接收机到卫星的伪距R，信号传播速度C，卫星的坐标（Xi，Yi，Zi），未知变量包括接收机位置坐标（x，y，z）和接收机与卫星时钟的时钟差△t，因此可以通过以下四个方程解算出接收机的位置坐标以及时钟差，并且可以根据△t对接收机的时间进行校准。

2.2.2 GPS模块接口设计

GPS接收模块实时接收卫星发送的导航电文，通过NEMA-0183传输协议与处理器串口进行通信。本设计中GPS模块只负责接收卫星信号，所以模块发送引脚与处理器单元的串口接收引脚连接。引脚连接示意图如图5所示。

图5 GPS模块引脚连接图

2.2.3 GPS模块程序设计

根据GPS接收模块的功能：实时接收卫星发送的导航电文，通过串口将数据发送至处理器进行解析，数据解析后存储并显示在LCD上。GPS模块与处理器间通过串口1进行通信，因此程序设计主要包括：配置GPS模块串口参数、串口中断处理函数、LCD显示处理函数。

GPS接收模块接收并输出标准NEMA0183协议格式的导航电文，因此与处理器之间采用NEMA0183通信协议，该协议语句结构如下：

$＜Address Field＞,Data 1,Data 2, Data 3,…,Data n *hh＜CR＞＜LF＞。

GPS输出的消息语句主要包括$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL、$GPZDA等，本文提取的是$GPRMC和$GPGGA语句中的参数信息，其中包括经度（Longitude）、纬度（Latitude）、海拔（Altitude）、时间（Time）信息。

程序设计流程：GPS接收模块输出NEMA0183标准语句到STM32处理器，处理器对接收到的信息进行判断解析，将解析得到的数据存储并发送至LCD，程序设计流程图如图6所示。

图6 GPS模块程序流程图

2.3 GSM模块设计

移动通信部分采用FT100模块，该模块核心处理器部分采用移远通信（Quectel）的M35GSM模块，该模块专门针对短信工业应用设计，具有极高的性价比。通过模块串口与处理器串口2连接，实现数据通信。模块供电电压是直流7-24V，其最大特点是所有与AT指令相关的操作均由模块内部完成。模块实物如图7所示。

图7 GSM模块实物图

模块通过标准9针串口线与微处理器单元的串口连接。本文设计将微处理器的串口2与GSM模块连接，微处理器从GPS导航电文中解析出我们需要的地理信息后，将数据存储在串口2，等待通过GSM模块发送至用户移动设备。GSM模块硬件连接示意图如图8所示。

2.3.1 GSM移动通信系统结构

图9 GSM模块采集与传输信息示意图

基于GSM技术的移动通信系统主要由三部分组成：主控制端、GSM网络、移动用户端。无线通讯模块通过RS232串口2与处理器连接，通过GSM无线网络实现处理器与远程用户端设备间的数据无线传输。本文以简单的一点到一点的远程传输为例来说明系统通信结构。GSM模块传输数据示意图如图9所示。

2.3.2 SMS系统工作原理

SMS（Short Message Service）短消息服务业务是GSM网络的一项基本业务，主要由移动业务交换中心、短消息业务网关移动交换、本地用户寄存器、访问者位置寄存器和短消息服务中心等部分组成[4]。SMS系统工作原理如下：

短消息从GSM模块发出后，首先传输到基站，基站主要负责移动设备和移动交换中心之间的信息传递，然后信息从移动交换中心寻址到需要的短信服务中心。当移动设备接收来自GSM模块的短消息时，短消息服务中心必须确定一个合适的移动设备来结束发出的短消息的路由，短消息服务中心把接收到的短消息转发到短消息业务网关移动交换中心，然后该交换中心向目的移动设备的归属位置寄存器询问路由信息，从而把信息发送给合适的移动交换中心，经该移动交换中心把消息传递给目的移动设备。SMS业务流程图如图10所示。

图10 SMS业务流程图

3、实验测试

本文以STM32开发板（处理器型号是STM32F107VCT 6）、GPS模块和GSM模块为实验器材，验证GPS信息采集与传输系统设计的可行性。按照上述引脚及串口连接方式，将GPS模块、GSM模块与开发板连接，在Keil uVision4中编辑、编译程序，通过Jlink下载程序到开发板，经调试，实验现象如图11所示。

图11 GPS信息采集与传输示意图

LCD液晶屏上显示内容如下：

Longitude：11618.7571（经度：116度18分）Latitude：3957.40953（纬度：39度57分）Altitude：64.2（海拔64.2米）Time：15-11-26 19:33:46。北京市地界坐标是北纬39度26分至41度03分；东经115度25分至117度30分，实验中的经纬度坐标处于北京市的地界坐标范围之内，说明GPS模块采集的数据有效。

通过手机发送短消息“实验查询数据”到GSM模块，GSM模块收到短消息后，回复当前采集到的GPS信息。短消息内容如图12所示。

图12 短消息收发内容示意图

实验结果表明可以在LCD上实时显示GPS接收模块采集到的经度（Longitude）、纬度（Latitude）、海拔（Altitude）、时间信息（Time），并且手机用户可以发送短消息询问当前状况，GSM模块接收到短消息并将GPS采集到的信息通过GSM网络发送到用户手机上，实验结果验证了本文系统设计的可行性。

4、结语

本文通过对GPS定位原理、GSM移动通信原理的介绍，详细分析了两个模块与微处理器的接口连接方式及主要工作流程。本文结尾给出STM32开发板与GPS模块、GSM模块的通信实验，将采集到的经纬度、海拔、时间信息实时显示在LCD上，并通过GSM网络以短消息的方式发送到用户手机上，从而验证了系统的可行性。

[1] Pratap Misra, per Enga.全球定位系统-信号、测量与性能.第二版[M].北京:电子工业出版社.2008.

[2] 李迎春,张佑生.GSM短消息在无线数据采集与监控中的应用[J].计算机工程与应用, 2004(3):213-215.

[3] 刘基余. GPS卫星导航定位原理与方法. 北京:科学出版社, 2003.

[4] 王洪瑞,权爱荣,肖金壮. GSM模块收发中文短消息的关键技术.单片机与嵌入式系统应用,2008(4):73-75.

Design of GPS information collection and transmission based on STM32

Yuan Guangsheng, Xue Shouyu, Chen Yong, Song Jiuzhi
( College of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

In order to get the geographic information acquired by GPS, and transmit the information to the user’s mobile device through the GSM communication network, the paper give an design of GPS information acquisition and transmission based on STM32 processor. The GPS module communicates with the serial port of the processor unit through the NEMA-0183 transmission protocol. Then the processor analyzes the geographic information provided by the navigation message and display the analytical data on the LCD. Finally, the information is transmitted to the user’s mobile through the GSM module. At the end of the paper, the feasibility of the design is verified by experiment.

STM32; GPS; GSM

TB21

A

1671-7988(2016)01-86-04

袁广升，硕士研究生，就读于辽宁工业大学，交通运输工程专业，主要研究方向汽车交通安全。薛守钰，硕士研究生，就读于辽宁工业大学，交通信息工程及控制专业，主要研究方向交通信息工程与控制技术。陈永，硕士研究生，就读于辽宁工业大学，车辆工程专业，主要研究方向汽车现代检测技术。宋玖志，硕士研究生，就读于辽宁工业大学，车辆工程专业，主要研究方向汽车CAD/CAE/CAM技术。