基于云服務器與Arduino 的GPS定位系統(tǒng)設計*

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(沈陽工業(yè)大學 軟件學院，沈陽 110023)

引 言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發(fā)展階段。由美國國防部領導下的衛(wèi)星導航聯(lián)合計劃局(JPO)主導研究的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)[1]是目前應用最廣泛和成功的定位技術。GPS在許多嵌入式系統(tǒng)中被用于定位服務，如基于藍牙4.0模塊的電子防丟器[2]和基于Android操作系統(tǒng)、WiFi以及GPS等技術為核心的GPS導航應用系統(tǒng)[3]等。由于GPS只能提供定位的數(shù)字信息，而不能直接傳送到服務器，所以需要使用單片機將GPS的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

其中Arduino單片機是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。它是一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，構建于開放原始碼simple I/O介面版[4]，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。

本文設計了一種基于Arduino的GPS定位系統(tǒng)，將Arduino與GPS相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對GPS信息的定位并且上傳到服務器中，服務器的信息同時可以傳送給用戶智能終端。

1 總體方案設計

本文設計的GPS定位系統(tǒng)主要包括三個部分：信息采集與處理模塊、服務器傳送模塊、用戶智能終端模塊，系統(tǒng)如圖1所示。用戶智能終端主要是支持GSM的智能手機。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構圖

信息采集與處理模塊主要完成GPS信號的接收、數(shù)據(jù)解析和發(fā)送功能。GPS接收單元GPS信號信息，控制單元對此信息進行處理，提取經(jīng)緯度，通過GSM網(wǎng)絡傳送單元把經(jīng)緯度信息位置上傳到云服務器中。云服務器把位置信息傳送到用戶智能終端中，同時，信息采集模塊也可以通過短信方式把信息傳送到用戶智能終端中。

同時，開發(fā)Android手機應用程序?qū)脑品斋@取來得數(shù)據(jù)通過高德地圖進行顯示。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由單片機、GPS模塊、GPRS模塊和GSM模塊等構成。由于GPS模塊只能提供定位的數(shù)字信息，而不能直接傳送到服務器，所以需要使用單片機對GPS模塊的數(shù)據(jù)進行接收，通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。該系統(tǒng)硬件由控制單元嵌入式系統(tǒng)、GPS信息接收處理單元、GSM位置信息傳輸單元和電源組成。硬件設計中只對控制單元、GPS信息接收處理單元、GSM位置信息傳輸單元進行設計。 如圖2所示。

圖2 硬件平臺組成圖

① 控制單元模塊：嵌入式系統(tǒng)作為控制單元，負責控制終端的整個運作，以單片機為核心，用于協(xié)調(diào)和控制模塊各個功能單元，主要實現(xiàn)監(jiān)控中心指令并相應獲取坐標信息、發(fā)送坐標數(shù)據(jù)等功能。

② GPS信號處理單元：通過GPS模塊實時獲取使用者地理位置信息，并進行壓縮處理以方便傳輸。

③ GSM位置信息傳輸單元：通過訪問服務器地址，將坐標數(shù)據(jù)實時上傳到中轉(zhuǎn)服務器上。

2.1 Arduino 單片機

單片機采用的是Arduino的Mega2560單片機，其有54路數(shù)字輸入/輸出端口(其中15個可以作為PWM輸出)、16路模擬輸入端口、4路UART串口、16 MHz的晶振、USB連接口、電池接口、ICSP頭和復位按鈕。簡單地用USB連接電腦或者用交直流變壓器就能使用，適合需要大量I/O接口的設計。它的優(yōu)點是簡單易學，適合剛?cè)腴T的單片機使用者，并且有多端I/O接口，適合本系統(tǒng)GPS/GPRS模塊的接入。 Mega2560單片機結(jié)構如圖3所示。

圖3 Mega2560單片機結(jié)構示意圖

2.2 GPS/GSM/GPRS模塊

GPS/GSM/GPRS模塊為集成的A7模塊，定位采用GPS模塊、GSM模塊和GPRS模塊都集成在此模塊中，具體結(jié)構如圖4所示。

圖4 GPS/GSM/GPRS模塊結(jié)構示意圖

2.3 通信串口連接設計

單片機與GPS模塊進行連接，實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)向單片機的傳送。具體接線方式為，單片機的GND與GPS模塊的GND(3)引腳相連，圖3中的7(4路UART)中的TXD14、RXD15、RXD19引腳分別與圖4中GPS模塊的4、5、11引腳相連接。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 服務器的搭建

本系統(tǒng)采用的服務器搭載的操作系統(tǒng)是Windows操作系統(tǒng)，服務器為租用的騰訊云服務器，服務器程序是以C#語言為基礎進行開發(fā)的，服務器的后臺程序接收到Arduino單片機數(shù)據(jù)后，將其存入數(shù)據(jù)庫。

在GPS獲取用戶的經(jīng)緯度坐標之后，將數(shù)據(jù)封裝好，上傳至服務器，以方便客戶端訪問。

通信程序在接收到發(fā)送的指令后，先創(chuàng)建socket對象，再通過bind()函數(shù)將ipv6地址和端口號組合賦給socket對象，進行通信地址和指定端口的綁定，通過listen()、connect()函數(shù)對服務器進行監(jiān)聽和連接，用accept()函數(shù)接收服務請求。在服務器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會監(jiān)聽指定的socket地址。客戶端依次調(diào)用socket()、connect()后就向服務器發(fā)送了一個連接請求。服務器監(jiān)聽到這個請求之后，就會調(diào)用accept()函數(shù)接收請求，成功建立連接。

3.2 Arduino通信

本系統(tǒng)的通信方式是通過GSM模塊來完成的，主要完成信息上傳到服務器和發(fā)送短信的功能。它是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GSM無線移動通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種數(shù)據(jù)終端設備。它的出現(xiàn)給GSM的發(fā)展注入了新的活力，改變了傳統(tǒng)的以話音為主的通信手段，打開了GSM網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信及其應用的大門。調(diào)制解調(diào)器必須通過PSTN或其它專用通信網(wǎng)進行通信，因而受地域、線路等影響在應用上有很大的局限性。而GSM模塊則無此限制，所以基于這種模塊以GSM網(wǎng)絡作為無線傳輸網(wǎng)絡可以開發(fā)出前景極其樂觀的各類應用。

3.2.1 短信的發(fā)送

GSM模塊啟動后，都處于命令狀態(tài)，在該狀態(tài)下，它以AT命令形式接收命令。GSM模塊接收到AT命令后，對命令進行解釋和執(zhí)行，并返回相應的結(jié)果碼。

首先設置AT+CMGS=0的PUD格式；然后把“> ***** ”語句的*號部分轉(zhuǎn)換成了十六進制的 1A中文文本格式+手機號碼，若返回OK字符串，即為發(fā)送成功。

memset(send_buf, 0, 20);//設置短信文本長度

strcpy(send_buf,"AT+CMGS="");

strcat(send_buf, number);//設置PUD格式

strcat(send_buf, "" ");

if(sendCommand(send_buf,">",3000, 10) == Success);

if (sendCommand(msg, msg, 3000, 10) == Success);

//短信內(nèi)容

memset(send_buf, 0, 20);

send_buf[0] = 0x1a;//以16進制發(fā)送

send_buf[1] = '

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