摘 要

在信息技术迅速发展的时代，一种万物互联的构想逐渐被提出，“物联网”应运而生，国家提出“互联网 ”的概念，将传统产业与信息技术相结合，吹响了物联网发展的号角。在国家政策和企业发展的共同推动下，如何做好“互联网 ”中的这一个小小的“ ”号成为了技术的关键，本文就针对这一课题，为物联网设备设计一个接入模块，使其能够进入“万物互联”的时代浪潮之中，将传统设备转变为智能设备。本文利用已经十分成熟的GPRS技术及GPS技术，从硬件和软件两方面入手，系统的给出了设计方案，并对其中的通信过程进行了分析，拟定了通信协议。

关键词：物联网 GPS GPRS 通信

Abstract

In the era of rapid development of information technology, a concept of a universal interconnect was gradually proposed，then ,the idea called “IoT” came into being.IoT has been prosperous since our country proposes the concept of "Internet ",which combine traditional industries with information technology.Under the support of national policies and enterprise development,how to solve the little " " in the "Internet " project has been the key of technology.This article work on the topic above,designing an access module for IoT devices,so that the device can be put in the wave of "Internet of Everything".This module transfer the traditional devices into smart devices.In this paper,we use the mature technology——GPRS and GPS,to give a systematic plan in both hardware and software.At the same time,we analyse the process of communication and develop a communication protocol.

Key words：IoT GPS GPRS Communication

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 物联网发展历史与现状 1

1.1.1 物联网由来与历史 1

1.1.2 物联网发展现状与前景 3

1.2 物联网现有通信技术对比 5

1.2.1 WiFi通信 5

1.2.2 ZigBee通信 5

1.2.3 GPRS通信 6

1.2.4 NB-IoT通信 6

1.2.5 通信方式选择 6

1.3 关键技术及其原理 6

1.3.1 GPS定位技术 6

1.3.2 GPRS通信技术 9

1.4 课题研究背景意义 10

1.5 本文研究内容 10

第2章 整体方案设计 12

第3章 硬件设计 14

3.1 MCU电路设计 14

3.1.1 晶振电路 14

3.1.2 复位电路 15

3.1.3 看门狗电路 16

3.1.4 JTAG电路 16

3.2 电源模块设计 17

3.3 通信电路设计 18

3.4 GPS/GPRS模块设计 19

3.4.1 GPS/GPRS功能设计 19

3.4.2 SIM卡电路设计 20

3.5 本章小结 21

第4章 CAN通信协议拟定 22

4.1 CAN帧格式 22

4.2 CAN通信流程 22

4.3 CAN协议的选择 23

第5章 GPRS通信设计和GPS数据采集 27

5.1 GPRS通信设计 27

5.2 GPRS数据包格式 28

5.2.1 数据类型 28

5.2.2 数据单元格式与定义 30

5.2 GPS数据获取与传输 33

5.3 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

参考文献 38

致谢 40

附录 42

第1章 绪论

自进入互联网时代以来，人们的生活发生了翻天覆地的变化，享受着数字化网络带来的便利，科学技术进入了21世纪。在科技产业急速发展的当下，一种万物互联的构想逐渐引起了世界科学家的重视，各国政府也在大力推广扶持相关产业发展。“物联网”这一概念应运而生，这是一种新的全球化的科技革命和产业变革，他将信息通讯技术和生产力联系起来，是“未来科技”构想中的关键技术。

物联网发展历史与现状

物联网由来与历史

说道物联网的起源，最早可以追溯到1995年，比尔·盖茨（Bill Gates）在其《未来之路》一书中对信息技术的未来发展进行了预测。1998年，美国麻省理工学院（MIT）提出了基于RFID（射频标签）技术的唯一编号方案，及电子产品代码（EPC），并以此为基础，研究从网络上获取物品信息的自动识别技术。

“物联网”概念是由美国自动识别技术（AUTO-ID）实验室在1999年提出的，而物联网（IoT）这一概念正式普及和使用则是在国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：“The Internet of Things”》之后。

2007年，美国率先在马萨诸塞州剑桥城打造全球第一个全程无线传感网。2009年1月IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”概念，这是物联网的初步构想，将整个地球“智慧化”、“智能化”。2009年6月，欧盟委员会正式提出了《欧盟物联网行动计划》，迈出了物联网实践的第一大步。2009年8月，日本提出了i-Japan战略，大力发展物联网行业，在u-Japan的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用。

在中国，最早关于物联网方面的研究是来自中科院的传感网络研究。2008年，江泽民同志在《新时期我国信息技术产业的发展》一文中明确指出了未来信息网络技术发展趋势，见图1.1。并指出“进入 21 世纪以来, 在日新月异的无线接入、射频识别、网络应用、人机互动等新技术的推动下, 将实现人与人、人与物乃至物与物之间随时随地沟通的全新网络环境———泛在网”。在文章中他还构建了未来泛在网的蓝图，见图1.2。

图1.1 未来信息网络技术发展趋势

图1.2 泛在网示意图

2009年8月7日，温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并发表讲话，提出了“感知中国”概念。

可见不管是国外还是国内，物联网这一概念已经充分引起了重视。根据目前学术界对物联网技术特点的认知水平，对物联网比较权威的理解是：物联网是利用现有的互联网、移动通信资源手段，在不同的行业要求下利用传感器网络感知、智能运算和可靠传输将来自物理世界的信息转换为数字信息的服务系统，该系统能够实现物与人、物与物的交互。

物联网发展现状与前景

在国内方面来看，我国的物联网研究相对开始较早，在2009年我国就已经提出了“感知中国”的概念，这是对于中国物联网的整体构想。现如今我国大约有15个省已经规划了自己的物联网产业园，建立起了区域范围内的物联网交互系统。据不完全统计，我国2010年物联网市场规模已接近2000亿元，如此庞大的规模是物联网迅速发展的例证。如今街头巷尾出现的共享单车见证了物联网的发展历程。第一代共享单车使用GSM短信解锁，模块集成在单车车锁内，用户通过扫描车身二维码，服务器会给用户一个解锁密码，用户输入后方可打开，整个过程大约10秒左右，这种方式有自己的优势，开锁过程比较稳定，由于不需要通过流量，所以对用户网络质量的依赖性不高。但同时，这种方式也有自己的不足之处，比如锁具必须需平台保持长时间联系，时时刻刻首要接收来自平台的信号，但目前GSM终端的待机时间普遍不够长，这就需要通过能量转换为模块进行充电。之后共享单车采用了流量解锁的方式，用户通过网络获取解锁密码，速度得到了明显提升，但对用户网络质量有了更高的要求。2017年，摩拜单车加入了NB-IoT的大家族，如今的共享单车正在使用着这一新兴技术带来的便利。

要想实现万物互联，关键在于如何传输这海量的数据。根据数据传输的速率来分类，物联网业务可分为高、中、低速率三种传输业务。高速率业务主要使用移动通讯手段及 WiFi 技术，车载导航这一类对实时性要求较高的业务适合采用这种方式；中速率业务主要服务于高频率的通信但实时性没有特别高的业务当中，主要采用已经成熟的2G通信手段；低速率业务主要采用LoRa、NB-IoT等新兴的手段，在低频次使用但总数据量可观的业务如智能停车业务中应用较广。预计到 2020 年全球联网设备数量将达到 260 亿个，物联网市场规模达到 1.9 万亿美元。到 2018 年，全球车联网的市场规模将达到 400 亿欧元，年均复合增长率达到 25%，2018 年全球智能制造及智能工厂相关市场规模将达 2,500 亿美元；全球可穿戴设备出货量从 2014 年1960 万增长到 2019 年 1.26 亿；截止 2020 年，全世界智慧城市总投资将达到 1200 亿美元。万物互联使得海量设备接入进来，同时产生海量的数据，预计 2020 年全球联网设备带来数据将达到44ZB。

从国外方面看，世界上许多国家都开始了物联网相关产业的研究与发展。目前，国外已经开展物联网研发应用的国家还不多，且他们最初的研发方向主要物流行业，包括如何对包裹进行数据采集，以及包裹运输信息的掌握。近年来，随着各项技术的发展，物联网研发和应用开始拓展到一些环境、医疗领域，同时，智慧城市也在构建之中。

具体来说，各个国家都对物联网发展制定的相应发展政策。2009年，欧盟执委会描绘了物联网技术应用的前景，在“Internet of Things -An action plan for Europe”物联网行动方案中，明确指出要加强政府管理，利用政府力量来确保物联网快速健康发展。另外，韩国政府自上世纪90年代起也出台了一系列政策来推动产业信息化。为达成信息化生产的愿景，韩国还陆续推出了相关政策来推动基础产业，传感网的构建就是其中之一。

2009年7月，日本IT战略本部颁布了“i-Japan”战略，其目的在于让数字信息技术渗透到社会的每个角落。日本政府首先推动公共事业的发展：政务、教务、医疗是首要考虑目标。另外根据国外IC insights研究公司与Gartner研究公司的数据显示，目前全球物联网市场规模日渐扩大，联网设备接入数量呈快速增长趋势，预计到2018年，全球物联网市场规模将超过1000亿美元，联网设备年均复合增长率保持在31%以上，见图1.3。

图1.3 全球物联网市场规模预测

观望物联网的发展前景，我们不难得出结论，未来的时代必将是属于物联网的时代，中国在“十二五规划”中就已经明确提到大力发展物联网产业的目标，并提出了物联网应用的九大场景，见图1.4。我们相信，在政策与产业的推动下，物联网的未来一片光明。

图1.4 物联网九大应用领域

物联网现有通信技术对比

WiFi通信

WiFi技术是一种可以将多种终端以无线方式而相互连接的无线局域网技术。他规定了物理层和媒体接入层的相关内容，并将TCP/IP协议作为自己的网络层。随着各种标准的问世及技术的发展，现在将IEEE 802.11标准统称为WiFi。其传输距离一般为20-300米，传输速度在11-54Wbps，传输频段为2.4GHz，功耗在1W以上。WiFi技术常用于无线上网中，其开发芯片组价格约为25美元，且安装使用难度较大。

ZigBee通信

ZigBee技术是一种相对较为成熟的无线通信个域网技术。它由于低功耗、成本低、时延较短、容量大、可靠性高等优点而无线传感网络中使用较多。但由于其传输距离较近，在大范围物联网中应用较少。其通信距离为2-20米，通信速率为100kb/s，通信频段为2.4GHz，功耗小于1mW。ZigBee模块开发成本较低，大概在5美元左右。

GPRS通信

GPRS技术是基于现有运营商通讯基站的数据传输方式，他因为传输速率高而备受青睐，其最高通信速率可达171.2kb/s。通信频段为900-1800MHz。同时，GPRS技术还有着广覆盖的特性，可以覆盖绝大多数地区。但是，GPRS技术还存在一些缺点与不足，比如会存在数据包丢失、转接延时、通信速率比理论上慢等现象。其开发成本较低。

NB-IoT通信

窄带物联网（NB-IoT）技术是物联网行业的新兴技术，他支持对网络连接要求较高的设备的高效率连接。NB-IoT技术具有四大特点：广覆盖、海量连接、更低功耗、更低成本。其射频带宽为200kHz，通信速率在160~250kbps。缺点是需要对现有通信基站进行升级，增加了部署成本。

通信方式选择

通过对比上述四大通信方式，我们可以优先选出GPRS与NB-IoT技术作为备选，WiFi与ZigBee技术由于其受限于局域网，大范围内部署成本较高。在GPRS和NB-IoT技术选择上，本次设计拟采用传统基站，减少升级带来的附加成本。最终方案为GPRS通信方式。

关键技术及其原理

GPS定位技术

1994年3月，一个由24颗卫星组成，全球覆盖率达98%的卫星导航系统布设完成，这个系统被称为GPS，其全称“Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System,NAVSTAR/GPS”意义为“导航卫星测时与测距/全球定位系统”。这个系统以卫星的无线电导航技术为基础，可以为全球用户不间断的提供高精度的实时位置、高度和物体速度信息。目前，GPS定位精度可以达到10m左右，在物联网定位技术中也发挥着重要作用。

（1）GPS系统组成

GPS系统主要由空间部分、地面监控部分和用户接收设备3部分组成，如图1.5。

图1.5 GPS系统组成

空间部分是由24颗距离地球表面约20200km的卫星所构成，其中包括3颗备用卫星。每颗卫星都被安装了时间和位置信号，只要客户端使用GPS终端设备，就能保证在全球的任何地方、任何时间同时接收到至少4颗卫星的信号，并能保证良好的定位计算精度。每颗卫星都对地表发射涵盖本身载轨道面的坐标、运行时间等数据信号，地面的接收站通过对这些数据处理分析，实现定位、导航、地标等精密测量，提供全天性、全天候和高精度的定位导航服务。

地面监控部分主要对整个系统进行集中控制管理，实现卫星时间同步，同时对卫星的轨道进行监测和预报等。主要包括1个位于美国科罗拉多州的主控站，3个分别位于阿森松群岛、迪戈加西亚和卡瓦加兰的注入站以及5个监控站。

主控站的主要任务是根据监测站提供的观测数据推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。注入站在收到信息后将信息注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站主要负责对卫星进行连续观测、采集数据和监控卫星工作状况。

用户接收设备是指各种型号的GPS信号接收机，由GPS接收天线、GPS接收机组成。其主要任务是捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。

（2）GPS定位原理

GPS定位系统是在已知卫星每一时刻的位置和速度基础上，以卫星为空间基准点，通过监控站接收设备测定至卫星的距离或通过多普勒频移等观测量来确定监控站的位置、速度。利用基本的三角定位原理，根据观测时刻卫星的所在位置、速度和每颗卫星到接收设备之间的距离，通过计算就能获得接收设备所在的三维空间坐标值和速度。一般情况下，接收设备只需要接收到3颗卫星信号，就可以获得使用者与每个卫星之间的距离。在实际运行中，由于大气中电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星的真实距离，而是伪距。为保证信号的可靠性，消除和减少误差，GPS都是利用接收设备接收到4颗以上卫星信号，利用时钟差来消除时间不同步带来的计算误差，获取使用者精确的位置和速度等信息。

如图1.6所示，测定用户坐标为（x,y,z），他与4颗卫星之间的距离，c为GPS信号的传播速度（即光速），为卫星信号到达测定位置所需要的时间差。根据4颗卫星的位置（x,y,z），利用空间中任意两点间的距离公式，可得：

式（2-1）

图1.6 GPS定位原理示意图

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