行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
全球衛星定位系統實習課程在衛星通訊之培育研究(2/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-MOE-S-151-002-X3 執行期間： 92 年 01 月 01 日至 92 年 12 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 鐘國家 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 11 月 7 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
全球衛星定位系統實習課程在衛星通訊之培育研究(2/3)
An education study of practical training courses for global positioning system on
satellite communication
計畫編號：NSC 92-MOE-S-151-002-X3
執行期限：92 年 1 月 1 日至 92 年 12 月 31 日
主 持 人：鐘 國 家 國立高雄應用科技大學電子系
E-Mail:gjjong@cc.kuas.edu.tw 中文摘要： 目前衛星定位系統(GPS)接收器之方便 性與泛歐行動通訊(GSM)手機的普及性，造 成現今無線通訊與電腦科技的發達。基本 上，此整合系統可使用個人數位助理，將行 動物體的動向與狀況，並可達到高度的管理 與機動性能。今日在行動通訊的發展領域 裡，結合全球衛星定位系統與泛歐行動通 訊，乃至於整合即將大量普及的第三代行動 通訊(3G)，勢必引導著未來行動通訊科技的 潮流。 本計畫主要利用低價格現成 GPS 接收 器，整合具 AT-Command 的 GSM 行動通訊 模組，完成整合定位系統與行動通訊的實驗 訓練器，此實驗訓練器系統可作為行動通訊 科技研發的工具以及訓練系統，使本實驗訓 練系統在衛星定位系統實習課程環境中，具 有高度之應用價值。 關 鍵 詞 ：無線通訊、全球衛星定位系統 (GPS)、泛歐行動通訊(GSM)、第 三代行動通訊(3G)、地理資訊系統 (GIS) AbstractThe convenient of the global positioning system (GPS) and the popularity of the global system for mobile (GSM) result in the wireless communication and computer technique are developed for these days. Basically, the integrated system applied by using the personal digital assistance for
handling the situation and the status of the mobile target to achieve the highly management and motility functions. It can either combine the global positioning system and the global system for mobile or integrate the third generation (3G) mobile communication of a large number popularity. The development field of the mobile communication, which are guided the trend of the mobile communication technique in the future.
In this project, we construct the mobile communication module with the AT-Command for applying the low cost ready-made GPS to implement the experiment trainer of the integrated GPS and GSM mobile communication systems. The experiment trainer system based on the research and development tool and the training system for the mobile communication technique. This experiment training system can attain the highly application value for the education study of practical training courses for global positioning system on satellite communication technique environment.
Keywords：Wireless communication、Global Positioning System 、 Global System for Mobile 、 3rd
Generation Mobile Communication 一、前言： 當電腦的發明，處使了第三波經濟型態 的產生，在這種第三波經濟及戰爭的洪流之 下，「通訊」成了一切成敗的關鍵，本計畫 結合 GPS 與 GSM，也是瞄準此一趨勢。本
計畫可以應用於日常生活中的消防、保全、 失智老人協尋與居家醫療資訊等的遠端監 控管理系統，使用者都能輕易的由手機接收 定 位 資 訊 ， 並 且 在 搭 配 個 人 數 位 助 理 (PDA)、筆記型電腦或個人電腦等結合網際 網路後，進行具雙向性的遠端網路監控整合 之全球衛星定位系統實習課程系統。 二、研究目的： 本計畫旨在結合第二點五代的數據行 動電話與衛星定位系統之整合應用，達到使 用功能便利，且利用行動電話獲得即時遠端 定位資訊為目標。將衛星訊號與 GPS 接收 機通聯後，結合地理資訊系統後[1,2]，以達 成定位功能為首要步驟，例如將目標物(或 車子)的位置資訊，透過 GSM 行動電話系 統，完成車輛遠端監控，進而達到追蹤及管 理等系統之應用。 進一步的應用方面，使用於未來大量普 及的第三代行動通訊技術，只要增加頻寬， 就可以做到即時的圖像傳輸或是影像傳輸 [3,4]，不僅能知道目標物精確的所在位置， 並且可以進行快速以及即時的傳送功能，這 對於防盜著實有著莫大的幫助。 具體而言，本計畫除了在整合定位系統 與行動通訊的全球衛星定位系統實習課程 系統實驗訓練方面，作為行動通訊科技研發 的工具以及訓練系統外，更能夠在技術發展 應用上，使本實驗訓練系統在產業技術或相 關衛星通訊之培育研究等教育環境中，具有 高度教育訓練以及研究之應用價值。 計畫擬採取主從 (Master Slave)式的 Client - Server 架構，Client 端以一 8051 為 控制晶片，透過控制晶片的串列埠(Serial Port)與 GPS 接收模組的串列介面，取得衛 星定位接收器所傳送出的方位相關訊息格 式字串(Message format string)，並透過 GSM 模組，使用 AT-Command 傳送至 Server 端 [5,6,7]。 三、研究方法： 控制晶片 8051 本身並配有 RAM 的記 憶体，藉以暫時儲存定位訊息資料，且可以 經由連接 PDA 或 PC 以便儲存較多的定位 訊息資料。基於方便性、可攜帶性以及成本 考量等因素，採用簡易型與普及型兩種系統 架構，分述如下： (1) 簡易型： 此一系統架構除考量方便性攜帶及電 池持久性能以外，成本以及價格等因素也是 主要考慮的訴求重點。由於簡易型系統架 構，只利用了實用的微電腦單晶片(8051)來 作為核心之 CPU，搭配 GPS 模組及 GSM 模組，以 RS232 串列介面互相連接，作為 一個完全不需要電腦的獨立電路。 (2) 普及型： 普及型有別於簡易型系統之基本功能 需求，除考量要具備有簡易型系統所有操作 功能外，功能的訴求重點則包括傳輸性能之 可靠性及介面之選擇(如:RS-232C 或 USB) 等因素。普及型製作系統的應用還可以與電 腦做 Plug&Play 功能，進行自動連線，將 Flash EEPROM 內所儲存的 GPS 地理定位 資料，可以完全的經由串列資料埠，傳輸資 料給電腦做為分析之用。 在 Flash EEPROM 中，將它的容量配置 為兩個部份，第一部份是使用者設定資料 區，可設定一些特殊資訊，第二部份是 GPS 的儲存資料用[8]。在 GSM 行動通訊模組方 面，則擁有 RS232 之傳輸介面，算是一台 GSM 數據機，因為可以用 RS232 對它下所 謂的 AT-Command，也就是一些指令格式或 訊息命令[9,10]。 四、結果與討論： 本系統中的 GSM 模組中，我們所使用 到的是它的數據模式(Data Mode)，其數據 傳輸速率最高為 9600bps(bits per second)。 在微電腦單晶片控制電路擁有三種操作模 式，簡述如下之說明：
1. RT(Real Time)操作模式 RT 是即時(Real Time)模式，使用者可 以 在 預 先 設 定 的 時 間 間 隔 (Default Time Interval)下，做即時操作模式的處理。此一 即時操作模式的功能，在機定功能上，就是 將目前使用者（被監控者）的定位地理資訊 傳回，此時本微電腦單晶片控制電路被機定 為 Client 端。 當 Server 端的電腦軟體系統，執行輪 詢功能(Polling function)進行主從式交握程 序(Handshake processing)時，Client 端就會 與 Server 端經，經由自動密碼認證過程加以 聯繫上。由於 Server 端即是一台 PC，經由 連接另一台 GSM 數據機，作為即時操作模 式下，接收被監控的 Client 端之 GPS，就可 以即時傳回定位相關資訊。 2. RS(Ram Save)操作模式 RS 模式是利用串列的 EEPROM，在硬 體介面接腳方面，因為是以串列的方式作為 儲存，所以讓地址線及資料線大大的減少， 同時實驗訓練器的空間體積尺寸也可以減 少。 本操作模式，其優點只有使用約八隻腳 的接腳數目，就可以有相當大的儲存空間。 在考慮到安全性與機密性的考量，本操作模 式如果只進行資訊儲存，等待一段時間再進 行批次檔案傳輸，則會提高其安全性與機密 性。 3. PC 操作模式 此模式是為了與 RS 模式所儲存之定位 資訊作接收，由電腦構成的主系統，分別下 達指令給由微電腦單晶片在 RS 操作模式下 的的從系統，即可做清除資料或是回傳從系 統裡頭所存的 GPS 定位資訊。 由於 EEPROM 的寫入速度較慢，所以 在本系統中 RS232 的傳輸速率分為兩方面： （一）對於電腦及 GSM 的串列傳輸速 率方面，理論上電腦要比 GSM 的串列傳輸 速率要快上好幾倍，但為了要遷就 GSM 最 高速率，因而採取 9600 bps 的傳輸速率。 （二）由於 EEPROM 的存取速度跟不 上 9600 bps 的速度，GPS 的速率則必須降 為 1200 bps， 對於驅動軟体以及程式的運作，擬分別 採取兩種語言加以進行： （一）在電腦上使用 Visual Basic 語 言，結合 Visual Basic 語言中有關於串列 RS232 介面元件，撰寫應用驅動軟体，如此 可以讓電腦端具有從 RS232 埠傳送接收資 料的功能。 （二）單晶片系列的程式碼則是用 Keil C 所寫成的，C 語言寫成的核心程式，以模 組化的方式作為系統程式的積木，採用 Keil C 後，程式產生的速率大幅度的提升，且易 讀也方便 Debug。 (圖一)為本計畫所使用GPS接收器之結 構圖，(圖二)為GSM與GPS的實体外觀圖， GSM Modem是採用Wavecom公司出廠的型 號為WMOD2，如（圖六）左邊外觀圖所示， 而衛星定位接收模組GPS35LP外觀圖，如 （圖六）右邊所示。 五、成果自評： 本計畫將全球衛星定位系統的衛星通 訊應用，以個人數位助理(PDA: Personal Digital Assistance)作為基本之作業平台，藉 以整合全球定位衛星接收器與行動通訊的 技術發展應用，達到易於攜帶、小型化為 主，其成果如下： (1) 將行動通訊與全球定位衛星接收器， 具體化的結合網際網路。 (2) 進而從事寬頻網路通訊等相關課題的 研發，提升產業技術及人才培育在這些 領域的實務能力與國家競爭力。 (3) 可加強山區呼救及人身定位的功能， 提升搶救的效率及人員登山的安全性。 其應用可延伸至車輛協尋、智慧導航、 貴重物品管理。 本計畫考慮在未來人們的生活習性將
更因寬頻行動通訊時代的到來而有更大的 轉變，藉由終端手持 PDA 系統來進行消費 及一切事務運作，而同時間產業界與服務業 在推動行動商務(M-Commerce)的新興商機 也悄然應運而生。由於全球定位系統、地理 資訊與無線行動通訊系統在各自領域的發 展已經相當完備，然而將些系統作一的技術 性整合，就未來性與前瞻性而言，相當具有 發展潛力，應可帶給系統業者與使用者在系 統管理、監控、追蹤與管制方面，具有方便 性、機動性。 本計畫除了整合 EXCEL 相容的檔案格 式，在建構管理與監控系統後，可利於日後 追蹤與管制。本計畫除了在整合定位系統與 行動通訊的實驗訓練器方面，作為行動通訊 科技研發的工具以及訓練系統外，更能夠在 技術發展應用上，使本實驗訓練系統在產業 技術環境中，具有高度教育訓練以及研究之 應用價值。在功能延伸及應用方面，未來市 場的潛力可以期待。 參考文獻：
[1] C. Kee, D. Yun, and H. Jun, 2001 “Autonomous Navigation and Attitude Control of Miniature Vehicle using Indoor Navigation System” Proceedings of ION GPS-2001, Salt Lake City, Utah, September 11-14.
[2] C. Kee, D. Yun, H. Jun, and B. Parkinson, 1999 “Precise Calibration of Pseudolite
Positions In Indoor Navigation System” Proceedings of ION GPS-99, Nashville, Tennessee, September 14-17.
[3] H. S. Cobb, 1997 “GPS Pseudolite: Theory, Design, and Applications” Ph.D. dissertation, Stanford University.
[4] J. Stone, J. Powell, 1999 “Precise Positioning Using GPS Satellites and Pseudolites for Open Pit Mining” the 4th International Symposium on Space Navigation Technology and Applications, Brisbane, Australia.
[5] K. Zimmerman 1996 “Experiments In The Use of the Global Positioning System for Space Vehicle Rendezvous” Ph.D. dissertation, Stanford University.
[6] Thomas Bell 1999 “Precision Robotic Control of Agricultural Vehicles On Realistic Farm Trajectories” Ph. D dissertation, Stanford University..
[7] RITI Technology Inc., http://www.riti.com.tw/
[8] GARMIN “GPS GUIDE for beginners”, http://www.garmin.com.tw/aboutGPS/ [9] 通訊系統實驗，高銘盛 編著，高立圖 書股份有限公司 [10] 數位類比通訊實習，林育助．李飛宣 編著，全威圖書有限公司 (圖一) GPS 之結構圖 (圖二) GSM 與 GPS 的實体外觀圖
