基于gprs的黑匣子远程定位系统的设计与实现--毕业设计论文.doc

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基于 GPRS 的黑匣子远程定位系统的设计与实现刘宇中北大学分类号：TN929.5 单位代码：10110 学号：S20090472 中北大学硕士学位论文基于 GPRS 的黑匣子远程定位系统的设计与实现硕士研究生刘宇指导教师崔永俊李锦明学科专业测试计量技术及仪器 2012 年 06 月 04 日图书分类号 TN929.5 密级非密 UDC 注 1 621.3 硕士学位论文基于 GPRS 的黑匣子远程定位系统的设计与实现刘宇指导教师（姓名、职称）崔永俊副教授李锦明副教授申请学位级别工学硕士专业名称测试计量技术及仪器论文提交日期 2012 年 4 月 25 日论文答辩日期 2012 年 6 月 1 日学位授予日期年月日论文评阅人马珺讲师甄国涌副教授答辩委员会主席任勇峰教授 2012 年 06 月 04 日原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； ②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：中北大学学位论文基于 GPRS 的黑匣子远程定位系统的设计与实现摘要随着信息技术和数字技术的快速发展，GPRS技术在移动设备和计算机通信网络的路由器之间提供数据传输的业务越来越广泛，针对课题研究背景中的回收设备搜寻范围大、地理条件恶劣等问题，提出将GPRS技术和无线定位结合起来，设计一种远程定位系统。本课题“基于 GPRS 的黑匣子远程定位系统的设计与实现” 就是设计一种通过 GPRS 技术进行定位数据传输的监控设备，该系统有定位终端和监控中心二个部分。定位终端主要由 GPS 接收模块、GPRS 模块、MCU 微处理器三个部分组成。定位数据的接收单元由 U-BLOX 公司的 LEA-5H 模块来完成，而 GPRS 模块选用地 SIM900 模块。对监控中心的上位机软件的定位数据提取和监控过程进行了设计与分析，同时对上位机中用到的 Winsock 控件和 WebBrowser 控件的工作原理进行了阐述。阐述了网页加载 Google 地图的原理和步骤，同时也介绍了上位机软件和加载 Google 地图网页之间通过经纬度参数进行信息交互的过程。整个系统选用 Microchip 公司的 16 位低功耗 PIC24FV32K301 微处理器作为系统核心处理器，结合其宽电压和低功耗的特性，利用单片机实现了定位数据提取和发送。同时为了进行低功耗的设计，特别对单片机的睡眠模式和看门狗唤醒的程序设计进行了详细的描述。本文完成了对定位终端系统的硬件和软件的设计，同时对定位终端与监控中心的上位机软件的数据通信进行了设计，最后将定位终端和监控中心进行了联机调试。关键词：定位，MCU，GPS, GPRS 中北大学学位论文 Design and Realization of Remote Positioning System of the Black Box Based on GPRS Abstract With the rapid development of information technology and digital technology, GPRS technology to provide data transfer is more and more extensive between mobile devices and computer communications network router business. Taking into account the searh scope of recycling equipment and geographical conditions problems in the research background of the topic. the GPRS technology combines with wireless location to design, the new wireless type of the positioning system based on GPRS technology. This topic“Design and Realization of Remote Positioning System of the Black Box Based on GPRS” is to design a monitoring device of transfering positioning data through GPRS technology. the system has two parts of the positioning terminal of GPRS and the monitoring center. The positioning monitoring terminal of GPRS is made of the GPS receiver module, GPRS module, the MCU microprocessor. the receiver unit of Positioning data is LEA-5H module o the U-blox company , Selecting SIM900 module as the GPRS unit. Designing and analysing the positioning data extraction and monitoring process of Monitoring Center PC software. Elaborating the Working principle the Winsock control and WebBrowser control of the host computer. The principles and steps of the page to load Google Maps and the process of information exchange between the latitude and longitude parameters of the PC software and loaded the Google Maps website also have been intuoduced in detail. The 16-bit low-power PIC24FV32K301 microprocessor of Microchip company is selected as the core processor of the entire system, combined with its wide voltage and low power consumption characteristics, the use of the MCU is to achieving positioning data extraction and transmission. For low-power design, especially describing in detail.the design of microcontroller sleep mode and wake watchdog program. The hardware and software design of the positioning terminal and the software of the monitoring center have been completed , designing the data communication of the the monitoring centerand positioning terminal. Finally, the debugging of the positioning terminal and the monitoring center has completed. Keywords: Positioning, the MCU, GPS, GPRS 中北大学学位论文目录 1. 绪论 1.1 课题研究的背景 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外发展现状 .......................................................................................................... 1 1.2.1 定位技术发展现状 ............................................................................................ 1 1.2.2 远程监控技术的发展现状 ................................................................................ 2 1.3 课题研究的现实意义 .................................................................................................. 3 1.4 本文的内容结构 .......................................................................................................... 3 1.5 本章小结 ....................................................................................................................... 4 2. GPRS 的技术介绍 2.1 GPRS 网络的概述........................................................................................................ 5 2.1.1 GPRS 网络的特点 ............................................................................................. 5 2.1.2 GPRS 与 GSM 网络的比较 .............................................................................. 5 2.2 基于 GPRS 的通信协议.............................................................................................. 5 2.2.1 TCP/IP 协议 ....................................................................................................... 5 2.2.2 IP 协议 ................................................................................................................ 7 2.2.3 TCP 协议 ............................................................................................................ 7 2.3 本章小结 ...................................................................................................................... 8 3. 黑匣子远程定位系统的总体设计 3.1 系统整体结构 .............................................................................................................. 9 3.2 定位终端的框架 ........................................................................................................ 10 3.3 定位终端的性能指标 ................................................................................................ 11 3.4 定位终端的工作模式 ................................................................................................ 12 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 12 4. 黑匣子远程定位系统中定位终端的硬件设计 I 中北大学学位论文 4.1 GPS 模块的设计......................................................................................................... 13 4.1.1 GPS 模块的特性 .............................................................................................. 13 4.1.2 GPS 模块的外围电路 ...................................................................................... 13 4.2 GPRS 模块的设计...................................................................................................... 15 4.2.1 GPRS 模块的特性 ........................................................................................... 15 4.2.2 GPRS 模块的外围电路 ................................................................................... 16 4.2.3 SIM 卡电路的设计 .......................................................................................... 16 4.2.4 状态指示灯的电路设计 .................................................................................. 17 4.3 电源模块的设计 ........................................................................................................ 17 4.3.1 GPS 的电源模块的设计 .................................................................................. 18 4.3.2 GPRS 的电源模块的设计 ............................................................................... 18 4.4 微处理器的设计 ........................................................................................................ 19 4.4.1 单片机的介绍 .................................................................................................. 19 4.4.2 单片机的电路设计 .......................................................................................... 20 4.4.3 单片机对 GPRS 模块的控制 ......................................................................... 21 4.4.4 单片机的串口电路 .......................................................................................... 22 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 22 5. 黑匣子远程定位系统中定位终端的软件实现 5.1 监控定位端总体设计思想 ........................................................................................ 23 5.2 定位终端的程序流程图 ............................................................................................ 23 5.3 定位终端低功耗的设计 ............................................................................................ 24 5.3.1 睡眠模式的选择 .............................................................................................. 25 5.3.2 看门狗唤醒的设计 .......................................................................................... 25 5.3.3 单片机自查询的设计 ...................................................................................... 26 5.4 定位终端模块软件设计 ............................................................................................ 27 5.4.1 GPS 接收模块的软件设计 .............................................................................. 27 5.4.2 GPRS 模块的的软件设计 ............................................................................... 29 II 中北大学学位论文 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 32 6. 黑匣子远程定位系统中监控中心的软件设计 6.1 网络通信的基础 ........................................................................................................ 33 6.1.1 Windows Sockets 的概述 ................................................................................ 33 6.1.2 Winsock 控件的介绍 ....................................................................................... 34 6.1.3 WebBrowser 控件的介绍 ................................................................................ 35 6.2 监控中心上位机的设计 ............................................................................................ 36 6.2.1 监控中心的接收数据设计 .............................................................................. 36 6.2.2 监控中心的定位追踪设计 .............................................................................. 38 6.3 本章小结 .................................................................................................................... 43 7. 黑匣子远程定位系统的测试 7.1 监控中心的上位机的 IP/端口设置 .......................................................................... 44 7.2 GPRS 模块的调试...................................................................................................... 45 7.3 联机调试 .................................................................................................................... 48 7.4 沙石实验 .................................................................................................................... 52 7.5 灌封保护 .................................................................................................................... 53 7.6 本章小结 .................................................................................................................... 54 8. 结论与展望 8.1 论文的总结 ................................................................................................................ 56 8.2 论文的展望 ................................................................................................................ 56 参考文献攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果致谢 III 中北大学学位论文 1. 绪论 1.1 课题研究的背景随着我国的综合实力的不断增强，我国在科技领域得到了长足的进步，尤其是载人航天工程近年来发展迅速，取得了举世瞩目的成就。无论是神州 7 号飞船还是天宫一号飞行器的成功发射，为世界载人航天事业做出的突出贡献具有历史性的意义。航天事业的快速发展有助于我们能够对太空中的未知领域进行科学探索，对我国的科学、医药、农业以及其他领域的科学研究有着重要的现实意义。火箭的发射与飞行过程中，需要对其飞行过程的一些重要参数进行监控与测试，包括火箭飞行过程中的加速度、飞行姿态及飞行过程中的一些外界环境参数和动态参数等等，因此需要在火箭装载时，在火箭上安装配备一些可回收的黑匣子来实现一些火箭飞行中的参数测试，用以分析火箭飞行真实状态，所以箭载的各种黑匣子的回收是必要的。黑匣子存储的各种测量的各种参数对于火箭成功发射有着重要的借鉴作用。然而，目前的可回收黑匣子在火箭发射后，通常其下落地点不明确、难以回收，给搜寻工作带来许多麻烦。因此，针对目前的可回收黑匣子难以搜寻的问题，需要研究出一种能够快速找到可回收黑匣子设备的定位搜寻技术，便于快速获得黑匣子中重要参数，节省研制周期和开发时间。研制与开发的远程定位搜寻技术能够应用到火箭上及火箭弹上的许多可回收装置上，其应用领域广阔，具有非常重要的研究开发意义。本课题“基于 GPRS 黑匣子远程定位系统的设计与实现”就是在这种背景下提出来的。 1.2 国内外发展现状 1.2.1 定位技术发展现状以全球定位系统（GPS）为代表的卫星定位技术的出现不仅是在通信领域、测量技术领域计算机应用领域的大力发展的必然产物，也是社会信息时代对技术不断创新和改进迫切需求，是各学科高端技术共同作用的结果[1-3]。与其它领域的技术研发进度比较，卫星定位技术的各个关键技术的研究和完善的速度是十分惊人的。随着卫星定位技术的成熟，在应用方面上，卫星定位技术已经能够延伸到它所能涉及的任何角落。在世界高 1 中北大学学位论文速发展的今天，卫星定位技术通过在各个关键技术领域的突出地位来实现其技术的优越性。无论在军事领域还是民有方面。在军事方面：以美国为例，卫星定位技术广泛应用在美国的军事部队中，在导弹制导、反导弹系统的导弹拦截以及飞机快速实施打击等方面得到了广泛的应用。在民用方面，卫星定位技术的应用范围则更加的广泛[4]。为民众的日常的生活提供了更多的便捷。例如：车载定位系统方便人们的出行，大型的民用客机通过卫星定位技术来确定自己的航线路线，探险爱好者通过卫星定位导航仪来确认自己在野外的位置以保证自己的安全。总之，卫星定位技术的发展意味着信息向着多元化、立体化的方向在转变，并且有利于实现获取定位信息的多元化[5-6]。人造卫星技术的快速发展为卫星定位技术的发展提供了技术上的支持 [7-8]。冷战期间，美国和苏联在军备竞赛中各自研究并建立了自己的卫星系统： GPS （ Global Positioning System）和 GLONASS（Global Navigation Satellite System）系统。随着美国经济的发展和国力的不断强大，GPS 系统的应用越来越广泛，而随着美国政府将 GPS 应用于民用领域后，GPS 技术在全球范围内得到了普及[9]。为了摆脱美国和苏联两个大国对卫星定位技术的垄断，世界的其它国家也再发展各种的卫星定位技术。例如欧洲启动的伽利略（GALILEO）导航卫星系统的建设，该系统是独立但与 GPS 兼容的全球定位卫星系统，伽利略系统对于欧洲发展下一代导航卫星系统起到关键的作用。伽利略系统的常用服务有定位、导航等业务[10]；特殊的业务有：搜索和救援；服务的范围有目标导航、城市交通管理、高精度军事打击目标等，预计 2014 年伽利略定位系统开始使用。中国从 20 世纪 80 年代提出建设自己的双星定位导航系统[11]，中国的“北斗一号” 双星定位导航通信系统，分别于 2000 年 10 月 30 日和 12 月 21 日成功发射两颗导航卫星，目前，已发送了 4 颗北斗导航试验卫星和 11 颗北斗导航系统[12]，而且能够提供多种免费的业务来满足客户的多种需求。预计经过几十年的努力，北斗导航系统计划成为中国自主研发的具有全球定位功能卫星系统[13]。 1.2.2 远程监控技术的发展现状随着远程监控技术的快速发展，远程监控技术在世界范围内受到越来越多的关注 [14]。国外对远程监控技术的研究较早，对远程监控技术的应用也更加的广泛。例如对设 2 中北大学学位论文施环境监控技术的研究，采用模拟式组合仪表（指针式、数字表头等），采集现场信息并进行指示、记录和控制[15]。而在其它相关领域中，国外在远程监控技术领域的应用方面也处于领先水平。例如视频监控技术伴随着视频监控在交通管理控制应用范围的增大，一些针对各种视频监控设备、监控系统的评价研究也相继展开，为视频监控技术快速的发展和自我完善提供了良好的环境。在政府以及各界的共同努力下[16]，视频监控技术不断创新，技术日趋成熟可靠，并逐渐成为高速公路以及机场获取现场信息的重要途径与方法。由于视频监控技术广泛应用，使这种技术越来越受到关注[17-18]。近些年来，国内对远程监控技术研究也得到了长足的进步，国内的一些高校和大型的公司在如何将远处监控技术更好应用在实际生产和生活中方面取得了丰硕的成果。浙江大学研制的高效视频编码和智能视频处理技术的监控系统，东南大学研究的井下人员监控系统[19]等。无论在农业、交通、煤炭等方面远程监控技术都具备了广阔的应用前景 [20]。 1.3 课题研究的现实意义本课题主要内容就是通过在黑匣子上安装定位终端，在箭载黑匣子硬着陆的过程中和着陆后的过程中，尽可能在最短的时间内发现可回收黑匣子设备，那么定位终端就必须保持较长时间的工作状态，所以对定位终端中的微控制器的低功耗设计就显得尤为重要。在睡眠模式下微控制器的低功耗工作和对电源模块开关的有效控制是解决低功耗问题的一个关键的技术。GPS 模块接收的定位信息是通过 GPRS 模块

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