專利名稱：一種基于單片機的低功耗可組網定位儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種定位儀，特別是涉及一種基于單片機的低功耗可組網定位儀。
背景技術：
隨著GPS(英文Global Position System的字頭簡稱，即全球定位系統，利用導航 衛星為全球用戶提供實時的、高精度的三維速度的時間信息)應用研究的不斷深入，大量 GPS用戶設備已用于艦船、飛機的導航、導彈衛星測控、精密授時、作戰訓練、石油資源開發 等方面。近年來，車輛的跟蹤和導航、農業、公安和旅游等也納入GPS的應用范圍。目前 作為GPS典型集成應用系統(如個人導航系統、GPS車輛監控系統等)的核心技術，都涉及到 如何在移動環境下完成GPS數據的采集與無線網絡傳輸。國內外對該技術的實現主要是采 用筆記本電腦、PDA或價精密專用硬件作為硬件平臺，以及GPS、GPRS或GSM等相關外設。 由于系統涉及的硬件較多，項目投資和開發周期較長，后期運營成本高，因此這些系統只能 應用于某些行業，使用受到限制。
發明內容
本發明針對現有的GPS定位儀價格高、功能不夠完善、操作麻煩且無法免費通信 的不足，提出一種基于單片機的低功耗可組網定位儀，既能測得所處位置的三維空間信息 和氣壓、溫度環境信息，又能通過無線數傳進行小流量數據通信，將各種信息傳輸到同一網 絡的其他定位儀上。本發明所采用的技術方案
一種基于單片機的低功耗可組網定位儀，含有控制模塊、GPS模塊、無線數據傳輸模塊、 傳感器模塊、顯示及報警模塊，所述控制模塊采用51系列的任一種單片機為核心處理器， 控制模塊外接GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯示及報警模塊，所述無線數據 傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊；傳感器模塊包括MEMS壓力傳感器和地 磁傳感器；GPS模塊、MEMS壓力傳感器和地磁傳感器傳感器采集氣壓、溫度和地磁信息傳輸 到控制模塊，通過核心處理器將GPS模塊、傳感器模塊采集的各種信息進行綜合處理，通過 無線數據傳輸模塊將信息傳到網絡上各節點設備，并將處理得到的三維、氣壓、高度信息通 過顯示模塊顯示。所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，GPS模塊選用C3-470CGPS模塊；無線 數據傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊APC230-43 ；控制模塊核心處理器采 用中國宏晶公司的STC12C5A60S2單片機，所述單片機外接存儲電路、按鍵控制電路、震蕩 電路、復位電路，存儲電路采用AT24cl024存儲器；GPS模塊和無線數據傳輸模塊分別通過 相應的控制端口和數據端口連接單片機。所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，MEMS壓力傳感器采用BMP085，地磁傳 感器采用MEMS兩軸磁傳感器MMC212 ；壓力傳感器BMP085通過I2C總線直接與處理器相連， (測量大氣壓以及環境溫度，并通過氣壓矯正高度);地磁傳感器通過相應的控制端口和數據端口連接單片機，測量所在處磁場在X，Y方向的分量信息，由單片機通過算法得到北極方 向。所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，傳感器模塊包括加速度傳感器，所述 加速度傳感器采用美國Freescale公司的一款單芯片MMA7260三軸加速度傳感器；所述加 速度傳感器分別通過相應的控制端口和數據端口連接單片機。所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，顯示及報警模塊中顯示模塊采用 NOKIA 5110 IXD液晶顯示屏，所述IXD液晶顯示屏采用串行接口與單片機通訊連接，報警 模塊采用一揚聲器接入一級放大器電路，所述放大器控制基極通過一耦合電阻連接單片機 的相應I/O輸出端口。本發明的有益積極效果
1、本發明基于單片機的低功耗可組網定位儀，將無線傳感器網絡技術應用到傳統的空 間信息服務中，既能獲取空間信息又能獲取環境參數，還能進行免費通信。本發明將革命性 的改變傳統的基于位置的服務機制，使作為主體的人、作為客體的真實世界以及經由網絡 傳輸的數字世界三者無縫的結合起來，實現不受任何時間和空間局限的互動，最終目的是 根本性地改變人與數字地球、人與現實世界的交互方式，能夠為任何基于空間的作業系統 如導航、數字戰場、智能交通、旅游、探險、娛樂等提供全新的作業模式。應用領域和應用前 景將更加廣闊。2、本發明基于單片機的低功耗可組網定位儀，既能測出所在地三維空間信息，又 能測出溫度、氣壓，最終通過由無線數傳構建的優先級主站授權無線網絡，將信息傳輸到其 他設備上。可為用戶提供更加實用快捷的服務。采用的單片機和傳感器等各功能模塊均具 備功耗低、體積小的特點，采用常用3. 7V手機鋰電池可輕松滿足需求，使本定位儀常時間 穩定運行。
圖1 本發明基于單片機的低功耗可組網定位儀原理框圖； 圖2 可組網定位儀控制模塊電路原理示意圖3 =GPS模塊與單片機的接口電路； 圖4 無線數據傳輸模塊與單片機的接口電路； 圖5 壓力傳感器模塊BMP085電路原理圖； 圖6 兩軸地磁傳感器MMC212電路原理圖； 圖7 三軸加速度傳感器電路原理圖； 圖8 顯示及報警模塊及其與單片機的接口電路。
具體實施例方式實施例一參見圖1，本發明基于單片機的低功耗可組網定位儀，含有控制模塊、 GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯示及報警模塊，所述控制模塊采用51系列的 任一種單片機為核心處理器，控制模塊外接GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯 示及報警模塊，所述無線數據傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊；傳感器模 塊包括MEMS壓力傳感器和地磁傳感器；GPS模塊、MEMS壓力傳感器和地磁傳感器傳感器采
4集氣壓、溫度和地磁信息傳輸到控制模塊，通過核心處理器將GPS模塊、傳感器模塊采集的 各種信息進行綜合處理，通過無線數據傳輸模塊將信息傳到網絡上各節點設備，并將處理 得到的三維、氣壓、高度信息通過顯示模塊顯示。實施例二 參見圖2 圖6，圖8。本實施例基于單片機的低功耗可組網定位儀， GPS模塊選用C3-470CGPS模塊；無線數據傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊 APC230-43 ；控制模塊核心處理器采用中國宏晶公司的STC12C5A60S2單片機，所述單片機 外接存儲電路、按鍵控制電路、震蕩電路、復位電路，存儲電路采用AT24cl024存儲器；GPS 模塊和無線數據傳輸模塊分別通過相應的控制端口和數據端口連接單片機。MEMS壓力傳 感器采用BMP085，地磁傳感器采用MEMS兩軸磁傳感器MMC212 ；壓力傳感器BMP085通過I2C 總線直接與處理器相連，(測量大氣壓以及環境溫度，并通過氣壓矯正高度)；地磁傳感器通 過相應的控制端口和數據端口連接單片機，測量所在處磁場在X，Y方向的分量信息，由單 片機通過算法得到北極方向。顯示及報警模塊中顯示模塊采用NOKIA 5110 IXD液晶顯示 屏，所述IXD液晶顯示屏采用串行接口與單片機通訊連接，報警模塊采用一揚聲器接入一 級放大器電路，所述放大器控制基極通過一耦合電阻連接單片機的相應I/O輸出端口。實施例三本實施例基于單片機的低功耗可組網定位儀，與實施例二不同的是 傳感器模塊包括加速度傳感器，所述加速度傳感器采用美國Freescale公司的一款單芯片 MMA7260三軸加速度傳感器；所述加速度傳感器分別通過相應的控制端口和數據端口連接 單片機。控制模塊包括核心處理器、外圍存儲電路、按鍵控制電路、震蕩電路、復位電路；核 心處理器采用中國宏晶公司的增強型51單片機STC12C5A60S2作為核心處理器，該單片機 采用宏晶第六代加密技術無法解密，超強抗干擾能力，速度快，多IO 口(雙串口，集成AD轉 換)，片內RAM存儲量大，支持掉電喚醒功能，超低功耗，適用于電池供電系統。價格低廉，功 能強大，非常適合用于便攜設備上。外圍存儲器采用AT24cl024 1，048，576bits超大存 儲、I2C數據通信，具有掉電保護功能，方便存儲查詢、記錄數據。采用五個按鍵(Si上翻鍵、 S2下翻鍵、S3選擇鍵、S4返回鍵、S5 ok鍵)完成對探測儀的整體操作，還能通過傳感器模 塊的三軸加速度傳感器進行簡單換屏顯示，方便快捷。GPS具備定位和授時功能。本定位儀中內嵌GPS模塊接收衛星信號，具備顯示當 前的經緯度、高度、時間數據，顯示當前的前進方向、速度，記錄并顯示航跡的功能。可選用 C3-470CGPS模塊。C3-470C主要特點如下(1)體積小，精巧外型35mm X 35mm X 3mm, 內置天線，便于內嵌在可攜式裝置。(2)精度高可搜索多達20個衛星頻道，使位置精準度 小于10m。(3)高靈敏性-155dBm。(4)定位時間短、適應復雜環境全球定位系統集成DSP 與實時時鐘(RTC)的ARM7TDMI處理器和4MB的FLASH存儲器，強大的數據處理能力使更新 速率達到1HZ。(5)功耗低整機功耗僅20mA。(6)使用范圍廣海拔高度高達60，000英 尺。與單片機的接口電路見圖3。無線數據傳輸模塊選用APC230-43多通道微功率嵌入式無線數傳模塊。傳輸距離 較遠、信道多、功耗低。模塊采用高效的循環交織糾檢錯編碼，GFSK的調制方式，抗干擾和靈 敏度都比教高，最大可以糾24bits連續突發錯誤。1800米傳輸距離。工作頻率418-455MHZ (IKHz步進)，多頻道的選擇(大于100個頻道)。USART接口，可在線修改串口速率，發射功 率，射頻速率等各種參數。超大的256bytes數據緩沖區，適合大數據量傳輸。內置看門狗，保證長期可靠運行。與單片機接線電路見圖4。APC230-43的通信信道是半雙工的，可 以完成一點對一點，一點對多點的通訊。這二種方式首先需要設1個主站，其余為從站，所 有站點都必須設置一個唯一的地址。通信的協調由主站控制，主站采用帶地址碼的數據幀 發送數據或命令，所有從站全部都接收，并將接收到的地址碼與本機地址碼比較，地址不同 則不做響應，若地址碼相同，則將接收的數據傳送出去。組網必須保證在任何一個瞬間，同 一個頻點通信網中只有一個電臺處于發送狀態，以免相互干擾。主站通過查詢方式將發送 權授予從站，等待從站發送通信請求。APC230-43可以設置多個頻道，所以可以在一個區域 實現多個網絡并存。本系統獨創優先級主站授權協議組網協議。采用單一的點對多點通信協議構建的 是星形網絡。其組網簡單，但網絡覆蓋面積小，利用率低。網絡可靠性較差，主站故障能導致 整個無線網絡的癱瘓。系統采用優先級主站授權協議，即提前設置所有站點的優先級，優先 級最高的為核心主站。通過以下方式實現網絡功能1核心主站輪詢并更新從站的信息，若 發現一定時間內沒有監聽到某一從站A信息，核心主站查詢最后一次收到從站A的信息，找 出當前離從站A最后位置最近的從站B，并將主站權限授予從站B。此時B成為代理主站， 任務是監聽從站A的信息。監聽完畢后，將信息反饋給核心主站，并交還主站權限。II若 從站在一定時間內沒有收到核心主站或代理主站的查詢信息即可認為核心主站出了故障， 此時網絡中的最高優先級級從站自動轉變為核心主站，執行主站權，不再交付主站權限。既 保證了同頻道通信條件，又增強了無線網絡的覆蓋范圍，大大提高了其可靠性與實用性。系統采用了此種通信協議，同一頻道的節點設備均可得到其他節點的各種信息。 同一區域又允許多個網絡并存。應用本設備的旅游、探險、登山等團隊可輕松獲得隊友信 息，既方便管理，又能在關鍵時刻及時呼叫和營救隊友。傳感器模塊包含多個傳感器BMP085是一款高精度、超低能耗的MEMS壓力傳感 器，可以應用在移動設備中。它的性能卓越，絕對精度最低可以達到0.03hPa，并且耗電極 低，只有3 μ A。ΒΜΡ085采用強大的8-pin陶瓷無引線芯片承載(LCC)超薄封裝，含溫度輸 出，可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連。主要特點壓力范圍300—IlOOhPa (海 拔 9000 米-500 米)；電源電壓1. 8V — 3. 6V (VDDA) 1. 62V 一 3. 6V (VDDD)；工作溫度 范圍-40°C 85°C ;尺寸5.011111^5.(^1.2111111;低功耗5口六在標準模式，待機電流0. 1 μ A ； 高精度低功耗模式分辨率為0. 06hPa (0. 5米)高線性分辨率為0. 03hPa (0. 25米)；溫度 精度0. 1°C;反應時間-J. 5ms。利用BMP085的上述優勢，本定位儀不僅具備準確測量大氣 壓強、環境溫度的功能，而且可以通過氣壓矯正高度。通過分析大氣壓力和環境溫度的變化 可以進行短期預報天氣。 地磁傳感器使用MEMS兩軸磁傳感器MMC212測量所在處磁場在X，Y方向的分量， 通過算法得到北極方向。 顯示及報警模塊定位儀采用N0KIA5110手機84x48IXD液晶作為顯示模塊。該模 塊廣泛應用于各類便攜式設備的顯示系統。采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號 線數量大幅度減少。支持多種串行通信協議，傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數據， 無等待時間。LCD控制器/驅動器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊體積小。采用采用低電 壓供電，正常顯示時的工作電流在200μΑ以下，且具有掉電模式。選用此IXD即可清晰方 便顯示所需信息，又能減少不必要的功耗適合長期的出行旅游活動。選用蜂鳴器進行發生，
6方便提示和報警。本定位儀各功能模塊均具備功耗低、體積小的特點，采用常用3.7V手機 鋰電池可輕松滿足需求，使本定位儀常時間穩定運行。 系統采用美國Freescale最新推出的一款低成本單芯片MMA7260三軸加速度傳感 器。該微型電容式加速度傳感器融合了信號調理、單級低通濾波器和溫度補償技術，并提 供四種加速度測量范圍(-1. 5g—+1. 5g、-2. Og-+2. 0g、-4. Og-+4. 0g、-6. Og-+6. 0g)。 MMA7260還有很高的靈敏度，當選擇-1. 5g—+1. 5g的測量范圍時，靈敏度達到800mv/g。它 采用6mm χ 6mm χ 1. 45mm QFN的封裝，體積小。同時MMA7260提供休眠模式，是電池充電 的手持設備產品的理想之選。它具有三軸向檢測功能，在便攜式設備能夠智能的回應方向、 位置、移動的變化。可使本設備具有搖動切換屏幕顯示能還能檢測人體姿態，人倒自動報警 的功能，使本定位儀在營救方面更加有效。
權利要求
一種基于單片機的低功耗可組網定位儀，含有控制模塊、GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯示及報警模塊，所述控制模塊采用51系列任一種單片機為核心處理器，控制模塊外接GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯示及報警模塊，其特征是所述無線數據傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊；傳感器模塊包括MEMS壓力傳感器和地磁傳感器；GPS模塊、MEMS壓力傳感器和地磁傳感器傳感器采集氣壓、溫度和地磁信息傳輸到控制模塊，通過核心處理器將GPS模塊、傳感器模塊采集的各種信息進行綜合處理，所述控制模塊連接顯示及報警模塊并將核心處理器處理得到的三維、氣壓、高度信息通過顯示模塊顯示，控制模塊通過無線數據傳輸模塊將信息傳到網絡上各節點設備。
2.根據權利要求1所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，其特征是GPS模塊選用 C3-470CGPS模塊；無線數據傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊APC230-43 ； 控制模塊核心處理器采用中國宏晶公司的STC12C5A60S2單片機，所述單片機外接存儲電 路、按鍵控制電路、震蕩電路、復位電路，存儲電路采用AT24cl024存儲器；GPS模塊和無線 數據傳輸模塊分別通過相應的控制端口和數據端口連接單片機。
3.根據權利要求2所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，其特征是MEMS壓力 傳感器采用BMP085，地磁傳感器采用MEMS兩軸磁傳感器MMC212 ；壓力傳感器BMP085通過 I2C直接與處理器相連；地磁傳感器通過相應的控制端口和數據端口連接單片機，測量所在 處磁場在X，Y方向的分量信息，由單片機通過算法得到北極方向。
4.根據權利要求3所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，其特征是傳感器模塊 包括加速度傳感器，所述加速度傳感器采用美國Freescale公司的一款單芯片MMA7260三 軸加速度傳感器；所述加速度傳感器分別通過相應的控制端口和數據端口連接單片機。
5.根據權利要求1 4任一項所述的基于單片機的低功耗可組網定位儀，其特征是 顯示及報警模塊中顯示模塊采用NOKIA 5110 IXD液晶顯示屏，所述IXD液晶顯示屏采用串 行接口與單片機通訊連接，報警模塊采用一揚聲器接入一放大器電路，所述放大器控制基 極通過一耦合電阻連接單片機的相應I/O輸出端口。
全文摘要
本發明涉及一種基于單片機的低功耗可組網定位儀。含有控制模塊、GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯示及報警模塊，所述控制模塊采用51系列的任一種單片機，控制模塊外接GPS模塊、無線數據傳輸模塊、傳感器模塊、顯示及報警模塊，所述無線數據傳輸模塊選用多通道微功率嵌入式無線數傳模塊；傳感器模塊包括MEMS壓力傳感器和地磁傳感器；GPS模塊、MEMS壓力傳感器和地磁傳感器傳感器采集氣壓、溫度和地磁信息傳輸到控制模塊，核心處理器將采集的各種信息進行綜合處理并通過無線數據傳輸模塊將信息傳到網絡上各節點設備，并通過顯示模塊顯示。本發明可組網定位儀既能測出所在地三維空間信息，又能測出溫度、氣壓，可為用戶提供更加實用快捷的服務。
文檔編號G08C17/02GK101986765SQ20101052217
公開日2011年3月16日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者崔立志, 崔賽華, 張文娟, 李偉偉, 王少華, 王玉凱, 苗壯, 薛吉星 申請人:河南理工大學