基于北斗BDM100模块的两种家庭监护终端设计方案解析

随着社会的发展，我国人口老龄化越来越严重，对于老人的监护成为了一个社会问题。本文根据老人监护的需求特点，利用我国自主研发的北斗卫星定位系统，结合北斗定位模块BDM100设计了两种针对不同需求的家庭监护终端方 案，用于对老人进行实时定位，并将实时位置信息传输到监管人手中。第一种方案采用支持3G网络的EVDO模块MC8630，结合以ARM9为内核的 AT91SAM9260芯片进行位置信息回传，该方案具有传输迅速，可扩展性强的特点，可以为以后传递身体信息，环境信息提供扩展空间。第二种方案采用支 持2G网络的GSM模块GTM900，结合以Cortex-M3为内核的LPC1766芯片进行定位信息传送，该方案结合良好的软件设计，具有成本低，性 能稳定的特性。经过实验检测，这两种方案都能很好的解决家庭监护中老人的实时定位问题。
　　1 BDM100模块设计
　　BDM100模块是一款双系统高性能的GNSS模块，能够同时支持BD2 B1，GPS L1两个频点，很好适应低成本，低功耗领域，可以进行大规模的北斗系统集成应用。模块的结构框图如下图所示：
　　
　　图1 BDM100模块结构框图
　　从 芯片结构框图中可以看到，BDM100支持UART，SPI，1PPS，I2C等多种接口。其可以通过相关器，FFT和匹配滤波器混合应用以及算法优化， 在各种复杂环境下保持出色的捕捉跟踪能力和快速TTFF功能。采用多路径抑制技术和高质量的原始观测数据，可以保证很好的授时，导航精度。BDM100芯 片可以采用多系统混合定位的方式，这样可以提高定位精准度，因为本文采用北斗定位系统，所以只选取其北斗定位功能。另外，BDM100芯片有3个串口，用 户可以自行设置其波特率，默认波特率是9600，并且可以通过串口3进行固件升级。该模块的定位精度可达到3米，测速精度可以达到0.1米/秒。本系统采 用的外围应用电路图如下：
　　
　　图2 BDM100模块外围电路图
　　本系统的两个方案均使用串口1与MCU通讯，串口3预留出接口以便日后升级。特别注意：模块正常启动时，在复位信号有效期内，保持串口3输入引脚电平恒定为 高，否则模块将进入升级固件模式，无法正常启动。模块复位信号低电平有效，且持续时间不得小于2毫秒；该模块配备的天线必须为+2.85V有源天线，天线 连接至模块的GNSS_ANT引脚，有源天线内部集成LNA（低噪声放大器），可以直接连接到模块GNSS_ANT引脚，若采用非+2.85V的有源天 线，则需要为天线供电。
　　本文所使用的BDM100模块在其采用的软件接口协议中，主要通过消息的传递来完成信息的传送，其中“消息”是全ASCLL码组成的字符串。消息的基本格式为：
　　
　　表1 BDM100模块消息格式
　　其 中所有的消息都以$（0x24）开始，后面紧跟消息名，之后跟有不定数目的参数或数据。消息名与数据之间均以逗号（0x2C）进行分隔。表示输入的消息可 以以‘\r’（0x0D）或‘\n’（0x0A）或两者的任意组合结束，而表示输出的消息则全部以‘\r\n’组合结束。消息名和参数中的字母均不区分大小写。
　　BDM100模块在使用之前需要进行初始化，初始化过程就是模块和主控芯片之间进行消息交互的过程。BDM100模块具有授时和定位功能，本系统只用到其定位功能，所以对于授时功能的初始化不做描述。
　　本系统需要用到的初始化指令如下表所示：
　　
　　表2 BDM100模块初始化指令
　　其中在3G方案中由于采用USB接口通信，需要将波特率设置为115200（默认波特率9600），具体命令 为：$CFGPRT，3，h0，115200，3，3。由于本系统用到的是北斗定位系统，而BDM100模块可以支持GPS和北斗混合定位，所以需要在初 始化时将模块设置为北斗定位模式，可以采用两个命令实现—CFGSYS/CFGNAV，具体命令为：$CFGSYS，h10或 者$CFGNAV，1000，1000，3，2。对于输出的消息有多种，具体的编码见下表：
　　
　　表3 BDM100模块消息类型列表
　　本系统中用到的输出需要地理位置信息和对应的时间信息，由上面的消息类型可以看出采用GLL消息或者RMC消息皆可以满足要求，因为GLL消息比RMC消息 短，信息效率比较高，所以系统在设计中采用GLL消息进行传送。因方案中连接的控制芯片处理能力限制，GLL消息需要设置其输出频率为1次/秒，而且其对 应的类别和ID号分别为0和1，通过查找对应芯片软件手册得知GLL消息的最高输出频度为1Hz，所以利用CFGMSG设置其频率用的具体指令 为：$CFGMSG，0，0，1。
　　当把以上内容处理完成，需要将设置进行保存，用到的指令为：$CFGSAVE。
　　初始化完成以后，BDM100芯片就会以1次/秒的速度通过接口向外输出数据，具体接收以及处理过程由与其相链接的主控芯片处理。
　　2 3G方案设计与实现
　　以3G方案设计的监护终端采用ARM926EJ-S为内核的 AT91SAM9260芯片作为主控芯片，该芯片具有性能稳定，外围接口丰富，内嵌以太网，具备快速RAM和ROM，支持LINUX操作系统的特性。消息 回传的3G芯片采用EVDO模块MC8630，3G服务要求网络具有较高的数据吞吐量，EVDO模块支持中国电信CDMA2000提供的所以数据分组业 务，对于无线数据接入业务，EVDO的接入速度已经接近有限ADSL上网的水平，而且采用此种方式，数据传输稳定，为以后的性能扩展留下空间，满足方案设 计要求。
　　2.1硬件设计
　　3G方案硬件连接框图如下：
　　
　　图3 3G方案框图
　　其中BDM100模块和主控芯片AT91SAM9260通过UART接口连接，而3G芯片MC8630通过USB口与主控芯片连接，这样在保证接收与发送稳 定性的同时，还可以为以后的性能扩展提供空间。对BDM100模块和主控芯片的连接具体电路见图2，而对3G模块和主控芯片的连接见下图：
　　
　　图4 3G模块和主控芯片连接图
　　2.2 软件设计
　　在主控芯片AT91SAM9260上使用linux作为操作系统，该操作系统已经在众多嵌入式设备上面使用，其稳定性已经得到了验证。
　　2.2.1 BDM100模块的连接
　　BDM100模块采用UART串口和主控芯片通信，在linux中配置完内核之后，利用串口通信接口进行初始化和定位信息的传送。本方案中，具体的串口通信函数如下：
　　在进行串口通信时，要先对串口进行初始化，对应执行Serial_init函数。
　　具体格式：
　　int serial_init（char *dev， int speed， int is_block）
　　其中dev是设备文件地址，speed是串口波特率，is_block是设置在初始化不成功时，是否阻塞等待，直到初始化成功。
　　初始化函数通过调用static int open_dev（char *dev， int is_block）函数来打开设备文件，其中dev和is_block参数和初始化函数中的意义一致。打开成功，返回设备文件描述符，否则返回-1。通过 调用static void set_speed（int fd， int speed）来设置波特率，其中fd表示设备描述符，speed表示速率，在调用此函数时，要停止串口工作。
　　初始化完成后，就可以进行数据的读写，读函数为：
　　int serial_read_timeout（int fd， char *str， unsigned int len， unsigned int timeout/*ms*/）
　　此读函数是带有超时机制的串口读，接收的数据放在str的字符串中，fd表示设备文件地址，len表示读取的长度，timeout 表示超时时间，ms级别，函数返回读取的长度。
　　所谓的超时机制，是指程序利用此函数读取数据时，会启动一个线程，有数据时运行，无数据时阻塞，当线程有数据时，读完数据，程序再继续，如果超时还没有读完，则放弃读取，程序继续，一般在设置的时间内，程序都能读完数据，这样做是为了防止线程死锁，无法结束线程。
　　串口发送函数具体格式为：
　　int serial_send（int fd，char *str，unsigned int len）
　　其中fd表示设备文件地址，发送数据放置在str中，长度为len。发送成功返回发送长度，否则返回小于0的值。
　　通过这样的三个函数，就可以实现BDM100模块与主控芯片AT91SAM9260的通信，可以完成相关的模块初始化操作和信息的传输。