力網(wǎng)供電長期以來依靠人力對商業(yè)用電和生活用電數(shù)據(jù)進(jìn)行抄讀，效率極其低下。抄表數(shù)據(jù)統(tǒng)計主要依靠人力，報表生成周期長，統(tǒng)計結(jié)果分析慢，獲得結(jié)果不能及時反映系統(tǒng)用電量需求分布，對供應(yīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化沒有參考價值，嚴(yán)重限制了供電系統(tǒng)的供電效率和質(zhì)量的提高。

傳統(tǒng)抄表方式依靠人力抄表，電表數(shù)據(jù)抄取周期較長，無法獲得同一時刻所有用戶的電表數(shù)據(jù)，使得電表數(shù)據(jù)的獲取具有不精確性和時間段的模糊性，導(dǎo)致電網(wǎng)用電量的時空分布結(jié)果可信度不高，從而無法給供電管理部門提供有效的參考數(shù)據(jù)和建議。

自動抄表系統(tǒng)是供電系統(tǒng)監(jiān)管部門用來對工業(yè)和生活用電進(jìn)行監(jiān)測、管理和控制，以及對用戶用電情況進(jìn)行統(tǒng)計、分析的重要手段。本文提出了將 GPRS通訊技術(shù)與 J2EE 技術(shù)相結(jié)合的方案應(yīng)用到自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計中，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。在底層硬件設(shè)計中，采用一種基于通用分組無線業(yè)務(wù) GPRS（GeneralPacketRatioService）無線上網(wǎng)技術(shù)的自動數(shù)據(jù)采集方案。在上層軟件設(shè)計中，采用美國 Sun 公司推出的 J2EE（Java2Platform，EnterpriseEdition）平臺。該產(chǎn)品已應(yīng)用在實際抄表系統(tǒng)中，效果良好。

1、系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 系統(tǒng)的組成

圖 1 是系統(tǒng)總體設(shè)計方案。系統(tǒng)由五部分組成：GPRS 數(shù)據(jù)采集模塊、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器、客戶端。

GPRS 數(shù)據(jù)采集模塊：它是系統(tǒng)的硬件主要部分。GPRS 模塊上電后擁有一個動態(tài)的 IP 地址，可以與通信服務(wù)器進(jìn)行 Socket 通信。它的功能就是將檢測到的電能流量以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式發(fā)送給通信服務(wù)器。GPRS 終端也可以接受來之通信服務(wù)器的命令。

通信服務(wù)器：它打開服務(wù)器的某一端口，監(jiān)聽并接受所有 GPRS 終端向該端口發(fā)送的 UDP數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包解析成流量等數(shù)據(jù)，寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。通訊服務(wù)器的另一任務(wù)是向 GPRS 終端發(fā)送命令的任務(wù)，即向 GRPS 終端發(fā)送 UDP 數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：通信服務(wù)器從 GPRS 終端獲得的數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，同時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還需對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

Web 服務(wù)器：它連接著數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端。首先它向客戶端提供 Web 服務(wù)。響應(yīng)來之客戶端的請求，并根據(jù)客戶端的請求向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)以 html 格式返回給客戶端，使得客戶端可以瀏覽它所請求的數(shù)據(jù)。Web 服務(wù)器還可以直接向通信服務(wù)器提出請求，通信服務(wù)器根據(jù) Web 服務(wù)器的請求向 GPRS 終端發(fā)送命令。

客戶端：它采用瘦客戶端，只需要一個 Internet 瀏覽器即可。客戶端的任務(wù)就是向 Web 服務(wù)器發(fā)出 http 請求，然后將 Web 服務(wù)器返回的 ht-ml 格式文件顯示給用戶。

1．2 系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)的功能有：查看歷史數(shù)據(jù)，讀取實時或整點數(shù)據(jù)。

查看歷史數(shù)據(jù)：客戶端根據(jù)自己的需求，要求查看歷史上某一段數(shù)據(jù)的請求，該請求經(jīng)過 Web 服務(wù)器轉(zhuǎn)送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)經(jīng)過 Web 服務(wù)器轉(zhuǎn)接以 html 格式返回給客戶端。

讀取實時或整點數(shù)據(jù)：客戶端要求讀取實時或整點數(shù)據(jù)請求，Web 服務(wù)器根據(jù)請求來通知通訊服務(wù)器，然后由通訊服務(wù)器通知 GPRS 數(shù)據(jù)采集模塊，GPRS 數(shù)據(jù)采集模塊通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)向通訊服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)通訊服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時，將數(shù)據(jù)包解析成流量參數(shù)寫到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，然后由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給 Web 服務(wù)器，然后由 Web 服務(wù)器將數(shù)據(jù)以 html 格式返回給客戶端。

2、GPRS 通信模塊的設(shè)計及其功能

第 2．5 代通訊技術(shù) GPRS（GenealpacketRADIoService，通用分組無線業(yè)務(wù)）作為第三代通訊技術(shù)的前奏，GPRS 技術(shù)是在現(xiàn)有 GSM 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的分組交換的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，由英國 BTCellent 公司在 1983 年提出。GSM 技術(shù)主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，而 GPRS 技術(shù)在移動終端與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供了分組傳遞業(yè)務(wù)，這就是 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與 GSM 網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。

GPRS 把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)，為移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供語音通信。GPRS 采用分組交換技術(shù)，主要提供非語音的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，給移動用戶提供高速無線 IP 和 x．25 服務(wù)。GSM 網(wǎng)絡(luò)采用電路交換的方式，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

本系統(tǒng)就是利用 GPRS 的分組無線業(yè)務(wù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場的自動抄表裝置上進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。

在系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇。目前有兩種協(xié)議，即 TCP 協(xié)議和 UDP 協(xié)議。UDP 協(xié)議與 TCP 協(xié)議相比較，有以下幾個優(yōu)點：適用于小數(shù)據(jù)量的傳輸；使用方便，不需要建立連接，是一種無連接的通訊方式；傳輸數(shù)據(jù)的效率高，實時性強(qiáng)。

考慮到 UDP 上述特點以及流量測量系統(tǒng)對實時性的高要求，本系統(tǒng)采用了 UDP 協(xié)議。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

電能流量測量設(shè)備有兩種工作方式：一是按事先設(shè)定好的時間間隔，周期性地采集用戶數(shù)據(jù)，實時地傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；二是實時地響應(yīng)來自于通信服務(wù)器的控制命令，按照控制命令進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。這就要求作為數(shù)據(jù)傳輸模塊和終端設(shè)備控制模塊的 GPRS 終端能夠?qū)崟r地解析、處理各種控制命令并向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)提供盡可能大的吞吐率。另外考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)硬件設(shè)計時沒有采用傳統(tǒng)的低成本但是高開發(fā)費用且性能、功能受限制的單片機(jī)加 GPRS 通訊模塊的方案，而是使用了以高性能嵌入式 CPU 芯片為核心的設(shè)計方案。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端的硬件組成和連接如圖 2 所示。CPU 采用了專為網(wǎng)絡(luò)解決方案設(shè)計的 SamsungARM74510B。GPRS 模塊采用目前比較流行的西門子 MC35 系列模塊。

傳輸終端的軟件采用了以嵌入式實時操作系統(tǒng)為平臺、自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)組件為核心的體系結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)選用了μclinux。μclinux 最大的特點就是沒有 MMU，很適合 ARM 嵌入式微處理器。該μclinux 的內(nèi)核版本是 Linux2．4，它具備完整的嵌入式 TCP／IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，操作系統(tǒng)所有代碼加起來編譯后的鏡像文件小于 1MB。

該系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器 DSP 為核心，采用交流取樣技術(shù)，可以連續(xù)地檢測和統(tǒng)計電量的有關(guān)參數(shù)。

抄表數(shù)據(jù)終端起著管理和協(xié)調(diào) GPRS 網(wǎng)絡(luò)和儀表數(shù)據(jù)通信的作用。由于無線傳輸是基于 GPRS 的，所以抄表數(shù)據(jù)傳輸終端也可以稱為 GPRS 終端，要完成硬件和軟件的設(shè)計。抄表終端的硬件設(shè)計一般都會選用世界知名廠商生產(chǎn)的 GPRS 模塊作為抄表終端與 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接的中間件，實現(xiàn)同基站空中接口的連接，選用高速微處理器連接儀表和 GPRS 模塊，處理兩者間的數(shù)據(jù)通信問題。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計

4．1B／S 結(jié)構(gòu)

目前軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計模式主要有兩大類：一是傳統(tǒng)的 Client／Server（客戶端／服務(wù)器）模式，它采用 Intranet 技術(shù)，適用于局域網(wǎng)環(huán)境可連接用戶數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)量增多時，性能會明顯下降，客戶端都要安裝。一是正在不斷發(fā)展的 Browser／Server（瀏覽器／服務(wù)器）模式，它采用 Internet／Intranet 技術(shù)，適用于廣域網(wǎng)環(huán)境，支持更多的客戶，可根據(jù)訪問量動態(tài)配置 Web 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，以保證系統(tǒng)性能。客戶端只需要標(biāo)準(zhǔn)的 Internet 瀏覽器。

由于運(yùn)行該系統(tǒng)的物理平臺的復(fù)雜性，例如不同設(shè)備的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等都具有相異性，各種專業(yè)網(wǎng)絡(luò)都有各自不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和實現(xiàn)方式，因此必須選擇能夠較好支持跨平臺開發(fā)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。此外，考慮到使用該系統(tǒng)的人員具有廣泛性，依據(jù)不同的權(quán)限隨時可以查看該系統(tǒng)的詳細(xì)情況，若仍完全采用傳統(tǒng)的固定 C／S 模式，就必須嚴(yán)格對每個客戶端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這顯然是不可取的。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用以 Web 技術(shù)為基礎(chǔ)，以瀏覽器／服務(wù)器即 B／S 為體系結(jié)構(gòu)的方案。B／S 模式與傳統(tǒng)的 C／S 模式相比，優(yōu)點在于：主要工作是服務(wù)器端程序的開發(fā)。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)開發(fā)、維護(hù)網(wǎng)上的內(nèi)容與資源，負(fù)責(zé)信息的收集、存儲、發(fā)布，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)。客戶端直接利用現(xiàn)有的局域網(wǎng)或 Internet 連接，不需要特殊設(shè)置和安裝，使用標(biāo)準(zhǔn)的 Internet 瀏覽器，直接訪問專用 Web 服務(wù)器頁面，就可觀看監(jiān)測和分析電能質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)，并能查詢所需歷史數(shù)據(jù)。

4．2 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境與工具的選擇

考慮到系統(tǒng)的移植性和跨平臺性，本系統(tǒng)選擇了 Sun 公司設(shè)計開發(fā)的 J2EE 平臺，使用 JSP（JavaServerPages）作為 B／S 模式的開發(fā)工具。J2EE（Java2PlatformEnterpriseEdiTIon）是一個適用于企業(yè)級計算的支持多層、分布式應(yīng)用的全新概念的 Java 平臺，它為搭建具有可伸縮性，靈活性、易維護(hù)性的企業(yè)信息系統(tǒng)提供了良好的機(jī)制，與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序模型相比有著不可比擬的優(yōu)勢。J2EE 主要面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，它定義了一系列規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，使得 Java 程序員能夠共同的遵照這個標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)大型面向網(wǎng)絡(luò)的項目。它同時提供了龐大的開發(fā)庫，是面向電子商務(wù)開發(fā)的企業(yè)級應(yīng)用平臺。Java 具有“編寫一次，到處運(yùn)行”的特性，能夠通過 JDBC 方便連接各類數(shù)據(jù)庫，調(diào)用各類 API，同時在 Internet 應(yīng)用中保護(hù)數(shù)據(jù)的安全模式等。總結(jié)該系統(tǒng)的平臺解決方案如下：

計算模式：三層 B／S 模式；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：Windows2000Server；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：Oracle8i；Web 服務(wù)器：ApacheTomcat5．O；數(shù)據(jù)庫驅(qū)動接口：JDBC 驅(qū)動；主要的開發(fā)環(huán)境及工具：J2EE，Java，JSP，Javascript。

4．3 連接池（ConnecTIonPool）機(jī)制

程序的效率問題在 JSP 編程過程中是很重要的，即要考慮如何使有限的計算機(jī)系統(tǒng)資源為更多的客戶提供更好的服務(wù)，保證客戶的響應(yīng)速度和服務(wù)質(zhì)量。如果有很多人訪問該網(wǎng)站，每一次 Web 請求都需要與數(shù)據(jù)庫建立一個連接，那么數(shù)據(jù)庫就有可能要同時處理許多建立連接的請求，這對于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和 WebServer 來說是一個很嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)?dǎo)致資源耗盡而死機(jī)。

本系統(tǒng)使用連接池機(jī)制來解決這個問題。連接池最基本的思想就是預(yù)先建立一些連接放置于內(nèi)存對象中以備使用。當(dāng)程序中需要建立與數(shù)據(jù)庫的連接時，只需到連接池中讀取即可，不需新建連接。當(dāng)程序不需該連接時，只要將該連接放回到連接池中，以便其他程序或用戶使用。同時連接池機(jī)制對于位于池中的連接具有管理的功能，增加了與數(shù)據(jù)庫連接的強(qiáng)壯性。

4．4 數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程管理

數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：現(xiàn)場流量參數(shù)的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、不合格數(shù)據(jù)、人員的管理、權(quán)限的管理等。

數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理按照如下流程來實現(xiàn)：

（1）客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)的查詢或修改指令；

（2）服務(wù)端接收指令，向客戶端返回結(jié)果；

（3）客戶端接收結(jié)果，顯示查詢數(shù)據(jù)。

當(dāng)客戶端請求查看實時數(shù)據(jù)的時候，客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器每隔 2s 就將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端接收并顯示該數(shù)據(jù)。該過程就是一個典型的數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理過程。傳統(tǒng)的技術(shù)是頁面不斷刷新，來獲取新的數(shù)據(jù)，以便讓用戶看到不斷變化的實時數(shù)據(jù)。但該方法的缺點一是當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，占用服務(wù)器資源的消耗大；二是用戶能明顯感到頁面的不斷刷新，對用戶視覺和聽覺都有很大影響。本系統(tǒng)采用了 Microsoft 開發(fā)的 xmlhttp 技術(shù)，它是 Microsoftxml 解析器（MSXML）中的一個客戶／服務(wù)通訊管道協(xié)議。運(yùn)用 xmlhttp 可以簡單方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理。由于其傳送的是 XML 格式的數(shù)據(jù)，大大減輕了對服務(wù)器的消耗，而且采用 xmlhttp 協(xié)議，可以實現(xiàn)頁面無刷新更新數(shù)據(jù)，使界面更加友好。

要：基于STM32+華為云IoT設(shè)計的老人防摔倒報警系統(tǒng)。

本文分享自華為云社區(qū)《基于STM32+華為云IOT設(shè)計的老人防摔倒報警系統(tǒng)【玩轉(zhuǎn)華為云】-云社區(qū)-華為云》，作者： DS小龍哥 。

1. 前言

我國獨生子女，以及人口老齡化等問題，正逐漸成為一個重大的社會問題，老年人機(jī)體能力的下降，摔倒引起的安全和危害愈來愈突出，國家和社會越來越關(guān)注老年人的健康和安全，開發(fā)一個能夠?qū)崟r檢測出老年人是否摔倒，并且能及時告知監(jiān)護(hù)人的摔倒檢測以及報警系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

本系統(tǒng)包括檢測摔倒模塊、GPS定位模塊和通信模塊三部分，通過檢測老年人日常狀態(tài)，可以得知老年人的狀態(tài)，如果監(jiān)測到老年人摔倒了，此時會通過網(wǎng)絡(luò)把檢測結(jié)果上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，獲得老年人摔倒地點的GPS定位，并且通過GPRS通訊發(fā)短信給預(yù)設(shè)的監(jiān)護(hù)人。

2. 設(shè)計需求

（1）采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，配合其他模塊完成功能設(shè)計

（2）通信模塊采用SIM800C，支持上傳采集的GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器，云端采用華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

（3）老人摔倒檢測采用MPU6050陀螺儀檢測，當(dāng)檢測到老人摔倒之后，會通過SIM800C發(fā)送短信到緊急聯(lián)系人，設(shè)備上的蜂鳴器會發(fā)出警報聲，周圍行人聽到也可以進(jìn)行幫助；并且會將GPS數(shù)據(jù)上傳到云端，通過地圖顯示老人的位置，家人通過短信知道老人摔倒后，通過云端地圖顯示的位置，可以快速趕到老人身邊，或者報警求助，報告位置。

（4）老人摔倒后，如果自己能行動，沒有大問題，可以自己按下設(shè)備上的按鍵取消蜂鳴器報警，并且通過SIM800C向家人發(fā)送一條短信，報平安。

3. 設(shè)計的實物效果

為了快速驗證方案的可行性，這里采用現(xiàn)成的模塊采用杜邦線連接完成整個預(yù)想的功能設(shè)計。

下面就是硬件連接好之后的效果圖，選用的硬件型號在第4章節(jié)已經(jīng)全部貼出來了；為了方便戶外測試，這里的供電電源采用了充電寶，也可以采用電池盒供電。

可以設(shè)置電子圍欄，坐標(biāo)超出之后進(jìn)行提示。

4. 硬件選型

主控芯片采用STM32RCT6，通信模塊采用SIM800C，GPS采集使用ATGM336北斗BDS+GPS雙模模塊，老人摔倒檢測模塊采用MPU6050陀螺儀。

這些都是采用現(xiàn)成的成品模塊，都是在淘寶上買的，下面都貼出了模塊的型號，模塊的實物截圖，如果自己想做一個，可以在淘寶上找到一樣的模塊型號購買。

4.1 SIM800C

SIM800C模塊是一款高性能高性價比工業(yè)級的GSM/GPRS模塊。本模塊采用SIMCOM公司的工業(yè)級四頻850/900/ 1800/1900MHz SM800芯片，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

模塊特點：

1、支持極限D(zhuǎn)C5V-18V寬電壓輸入

2、有電源使能開關(guān)引腳EN

3、支持鋰電池供電接口VBAT3.5-4.5V

4、輸入支持移動和聯(lián)通手機(jī)卡Micro SIM卡

5、送51/STM32/ARDUINO驅(qū)動例程

6、DC 5V-18V電源輸入，推薦使用DC 9V

7、電源開始使能引腳默認(rèn)使能

8、電源地

9、GSM模塊的TXD引腳接其它模塊的RXD

10、GSM模塊的RXD引腳接其它模塊的TXD

11、數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備

12、內(nèi)核音頻輸出引腳

13、內(nèi)核音頻輸出引腳

14、鋰電池輸入引腳，DC 3.5 - 4.5V

15、電源地

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16、啟動引腳和GND短路可實現(xiàn)開機(jī)自啟動

17、電源地

18、RTC外置電池引腳

19、內(nèi)核振鈴提示引腳

20、內(nèi)合音頻輸入引腳

21、內(nèi)核音頻輸入引腳

加粗的引腳一般都用到。

建議使用V_IN單獨供電DC5-18V輸入（推薦使用9V)，或者VBAT供電鋰電池兩種供電方式這兩種供電方式最穩(wěn)定。如果只是簡單調(diào)試，也可使用USB-TTL或者開發(fā)板的5V直接給模塊供電。不過一般電腦或者開發(fā)板的功率有限，可能會不穩(wěn)定。請根據(jù)具體情況自己取舍選擇合適電源。

總結(jié)：

模塊本身支持自適應(yīng)波特率，可以自動根據(jù)發(fā)送過去的指令計算對應(yīng)的波特率，一般使用115200即可。

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模塊調(diào)試總結(jié)：

（1）供電電壓5V也可以，采用電腦USB供電（直接插電腦USB口）。正常供電之后，模塊上有電源指示燈。

（2）SIM800C的TX腳接單片機(jī)的RX腳

（3）SIM800C的RX腳接單片機(jī)的TX腳

（4）SIM800C的第11個引腳（PWK）和12個引腳（GND）短接接在一起，才可以開機(jī)。

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電源正常后，右上角有一個黃色的電源燈。

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通過串口發(fā)送AT指令過去測試模塊效果。

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4.2 STM32F103C8T6開發(fā)板

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4.3 GPS模塊

GPS模塊正常定位后，模塊上的LED燈會按照1秒鐘閃爍一次。

返回的字段里GNRMC表示當(dāng)前定位的GPS經(jīng)緯度，解析代碼只需要解析GNRMC表示當(dāng)前定位的GPS經(jīng)緯度，解析代碼只需要解析GNRMC字段。

第一次啟動GPS模塊，定位差不多要幾分鐘時間，定位成功后，第二次啟動定位就很快，最好是在室外，室內(nèi)信號差，定位時間更久。

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4.4 MPU6050陀螺儀

陀螺儀選擇的是正點原子的模塊，比較穩(wěn)定，質(zhì)量較好。

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4.5 蜂鳴器

蜂鳴器選擇的高電平觸發(fā)。

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5. 創(chuàng)建云端物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器

為了方便查看老人摔倒之后的位置，需要通過SIM800C將設(shè)備采集的GPS數(shù)據(jù)上傳到云平臺服務(wù)器保存，就算老人沒有跌倒，也可以實時關(guān)注老人的位置，在地圖上繪制出軌跡線路，方便家人隨時聯(lián)系，了解老人的情況。

這里物聯(lián)網(wǎng)的平臺選擇是華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺，目前是免費使用的，在云端創(chuàng)建產(chǎn)品等信息后，設(shè)備再通過MQTT協(xié)議連接云平臺上傳GPS數(shù)據(jù)。目前華為云的拖拽試網(wǎng)頁開發(fā)頁面已經(jīng)下架，目前要開發(fā)對應(yīng)的上位機(jī)，可以采用最近主推的低代碼開發(fā)平臺或者自己通過云平臺的應(yīng)用側(cè)開發(fā)接口自己開發(fā)上位機(jī)，我這里是自己開發(fā)的上位機(jī)，通過QT編寫的上位機(jī)APP，支持windows、Android、Linux等多個平臺運(yùn)行，跨平臺使用還是比較方便。

下面接著就介紹如何登陸官網(wǎng)創(chuàng)建產(chǎn)品、設(shè)備、完成云端的產(chǎn)品部署。

5.1 創(chuàng)建產(chǎn)品

官網(wǎng)地址: https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html
打開官網(wǎng)后沒有華為云賬號需要先注冊賬號，這些步驟就不多說了，接下來就直接介紹如何創(chuàng)建產(chǎn)品、設(shè)備、配置屬性、完成數(shù)據(jù)上傳交互的流程。

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點擊免費使用進(jìn)去頁面。

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點擊左邊產(chǎn)品選項，點擊右上角創(chuàng)建產(chǎn)品按鈕，彈出參數(shù)填充對話框。

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根據(jù)自己的設(shè)備情況填入信息之后保存。

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產(chǎn)品創(chuàng)建成功，點擊查看詳細(xì)信息。

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5.2 創(chuàng)建模型文件

在現(xiàn)在的詳情頁面往下翻，可以看到模型創(chuàng)建的選項。
點擊自定義模型選項，創(chuàng)建模型。
這里的模型就是設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)屬性。

添加服務(wù)ID。

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點擊創(chuàng)建屬性，這里選擇JSON類型的數(shù)據(jù)，上傳的GPS有經(jīng)緯度兩個數(shù)據(jù)，方便保存。

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創(chuàng)建成功。

點擊下方，閱讀學(xué)習(xí)完整實驗步驟~~

華為云博客_大數(shù)據(jù)博客_AI博客_云計算博客_開發(fā)者中心-華為云

廣超1，馬尚昌1，劉鈞2

（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225； 2. 華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102200）

：針對目前在氣象研究領(lǐng)域中日照采集系統(tǒng)作業(yè)質(zhì)量效果和實時性差、系統(tǒng)智能化程度低以及科技含量低等問題，對日照采集系統(tǒng)的通信方式、傳輸平臺、通信形式、位置定位及數(shù)據(jù)存儲等方面進(jìn)行了研究，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和Internet作為遠(yuǎn)程信號的傳輸平臺，采用了 STM32 處理器和 SIM900A 作為基本的硬件平臺。日照傳感器采用良好的感應(yīng)元件和材料，其感應(yīng)部件和數(shù)據(jù)采集處理單元集成在光筒內(nèi)；計算機(jī)端軟件實現(xiàn)了對日照數(shù)據(jù)的定時接收處理和查詢歷史數(shù)據(jù)操作等功能。

：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.024

引用格式：張廣超，馬尚昌，劉鈞.日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：85-88.

0引言

*基金項目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2012YQ110205)

世界氣象組織對日照時數(shù)的定義是:在給定時段內(nèi)直接太陽輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的各分段時間的總和［12］。日照時長數(shù)據(jù)的測量是太陽輻射時間分布測量的重要組成部分。日照時數(shù)資料的主要用途是表征當(dāng)?shù)氐臍夂蚝兔枋鲞^去的天氣狀況，可以認(rèn)為日照時數(shù)較長的地區(qū)有強(qiáng)烈的太陽光，產(chǎn)生使人可以保持良好狀態(tài)的心理效應(yīng)；另外，合理利用氣候資源，研究每日的日照時長數(shù)據(jù)的變化趨勢，在農(nóng)業(yè)上也有很大用途。同時日照時長數(shù)據(jù)的采集有助于了解太陽、地球表面和大氣間的輻射過程、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律以及各輻射量的時空分布，研究大氣成分如懸浮微粒、水汽、臭氧等的分布和變化，滿足醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑、工業(yè)和家庭等對太陽能技術(shù)和輻射資料的要求。此外，輻射的分光譜測量可用來取得氣溶膠的光學(xué)厚度和大氣渾濁度，在農(nóng)業(yè)生物和醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的用途。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

日照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究主要針對硬件平臺的建立、通信系統(tǒng)的搭建、上位機(jī)的編寫三大部分來展開，其中硬件平臺核心采用STM32處理器［3］，通用分組無線服務(wù)技術(shù) (General Packet Radio Service, GPRS)通信芯片采用客戶識別模塊(Subscriber Identification Module,SIM900A)，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology,SMT)封裝的雙頻全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)/GPRS模塊，上位機(jī)框架采用WinForm［4］形式編寫，主要負(fù)責(zé)日照數(shù)據(jù)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集以及終端設(shè)備的定位，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)傳輸（含日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)）的設(shè)計采用Socket通信方式完成數(shù)據(jù)通信，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但要求數(shù)據(jù)可靠，故采用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸?shù)目煽啃浴２杉瘮?shù)據(jù)時，輸入的端口號與IP(Internet Protocol)配置正確時，上位機(jī)啟動，等待接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008設(shè)計。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1GPRS模塊

系統(tǒng)選擇了SIMCOM公司的SIM900A作為GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵哪K，SIM900A模塊傳輸速度一般在20 kb/s左右，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率大概為2 kb/s，所以SIM900A可以很好地滿足需求。SIM900A出廠默認(rèn)設(shè)置TCP/IP協(xié)議，用戶可以通過擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)指令集輕松地使用該模塊進(jìn)行基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。同時，SIM900A模塊在低功耗和高度節(jié)能方面也非常出色，當(dāng)模塊處于待機(jī)狀態(tài)時，系統(tǒng)電流僅為1 mA。SIM900A支持標(biāo)準(zhǔn)的8線制串行接口，同時也支持2線制串行接口，便于調(diào)試測試。SIM900A模塊支持外部SIM卡，直接與3.0 V SIM卡或1.8 V SIM卡連接。模塊自動檢測和適應(yīng)SIM卡類型。SIM卡電路如圖2所示。

2.2GPS模塊

由于日照采集站點要布設(shè)多個，分布廣且數(shù)量多，因此需要將采集站點位置信息發(fā)送給監(jiān)控中心。同時日照數(shù)據(jù)分析時也需要采集站點經(jīng)緯度信息。基于成本、開發(fā)難度及產(chǎn)品現(xiàn)狀的考慮，系統(tǒng)中采用美國GPS定位系統(tǒng)作為采集系統(tǒng)的定位模塊。其中，本系統(tǒng)采用UBLOX公司的NEO6M作為日照采集系統(tǒng)GPS模塊接收芯片，這款芯片能夠在偏遠(yuǎn)或信號較弱的地區(qū)接收到衛(wèi)星信號，定位精度最高可達(dá)2.5 m，能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需要；能夠提供較高的時間脈沖，其提供的脈沖時間精度能夠達(dá)到15 ns，同時能夠接收GPS完整信號；具有接收50個衛(wèi)星信號通道的功能，能夠接收不同系統(tǒng)的定位信號；接口通信協(xié)議簡單，易于集成。GPS與STM32模塊的通信［5］是通過串口實現(xiàn)的，本系統(tǒng)利用USART接收GPS模塊的經(jīng)緯度信息。GPS模塊及其外圍電路如圖3所示。

2.3日照采集設(shè)計

2.3.1采集模塊設(shè)計

日照采集模塊是基于總輻射散射輻射測量原理實現(xiàn)日照的自動觀測。日照采集模塊要實現(xiàn)兩大功能：一是感應(yīng)太陽輻射的變化；二是完成數(shù)據(jù)的采集運(yùn)算處理［6］、存儲和傳輸，與STM32芯片進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)采集核心控制電路板以TI公司的MSP430F1611低功耗微處理器為控制核心。MSP430F1611內(nèi)部具有一個強(qiáng)大的16位RISC CPU、16位的寄存器以及常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度地提高代碼效率；系統(tǒng)在短時間內(nèi)采集到一定量的數(shù)據(jù)需要緩存，而MSP430F1611的RAM達(dá)到10 KB，足夠提供緩存空間；MSP430F149內(nèi)部帶有12位ADC模塊，可以用來實現(xiàn)對光電感信號的采集；MSP430F1611系列微控制器工作環(huán)境溫度范圍為-40℃~80℃，能夠適應(yīng)氣象探測所需求的外界環(huán)境。綜上，其性能指標(biāo)能夠很好地滿足系統(tǒng)需求。

2.3.2光電傳感器原理

光電感應(yīng)元件由濱松高性能光電二極管和特殊透光材料組成。光電二極管能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)化為電流信號，而且成一定比例關(guān)系。基于總輻射散射輻射測量原理測量日照，對三個光電感應(yīng)器件排布有特殊要求。三個光電感應(yīng)元件應(yīng)安放于一個透明玻璃罩內(nèi)，避免外界環(huán)境影響；其中一個光電感應(yīng)器件用于測量總輻射，另外兩個光電感應(yīng)器件分別用于測量上午和下午的散射輻射，其遮光罩采用特殊的全分天空方式，使二者不能同時暴露于陽光下。

3系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計

3.1軟件設(shè)計與流程

上位機(jī)數(shù)據(jù)接收軟件是在Visual Studio環(huán)境下開發(fā)的［78］，用戶可在該環(huán)境下運(yùn)用不同的程序語言進(jìn)行開發(fā)。本設(shè)計選用了Visual C#2010，它是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它編寫的應(yīng)用程序可運(yùn)行于.NET Framework上。本設(shè)計的上位機(jī)軟件希望能夠利用多線程去處理下位機(jī)發(fā)來的日照數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)并且顯示到不同的接收窗口中，在GPS信息窗口通過將定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后調(diào)用百度地圖API實現(xiàn)位置的顯示，同時將顯示在上位機(jī)界面的數(shù)據(jù)存放本地計算機(jī)，也可以上傳數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)采用SQL Server建立數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表［9］。整個軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

3.2上位機(jī)通信

目前大部分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信都是采用上位機(jī)端和客戶端的形式完成的。這種數(shù)據(jù)通信方式一般通過兩個不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，它們運(yùn)行于不同的機(jī)器上并且通過建立網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通常客戶端與上位機(jī)的通信方式一般有兩種形式，一種是HTTP的形式，另一種是基于Socket的方式。HTTP通信方式是客戶端先向上位機(jī)發(fā)起連接請求，然后等待上位機(jī)對其做出應(yīng)答，此時客戶端才能與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，一旦這次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后就會自動釋放本次連接,下次傳輸數(shù)據(jù)時客戶端還需要重新與上位發(fā)起連接，再次等待上位機(jī)的應(yīng)答。而Socket通信形式是客戶端發(fā)起與上位機(jī)建立連接的請求后，上位機(jī)處理請求并與之建立連接，一旦連接建立好了之后即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，免除了許多拆包、封包等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程，采用數(shù)據(jù)流的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，一旦建立連接后不需要每次向上位機(jī)建立連接請求，并且具有數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率高的優(yōu)點，因此 Socket 這種通信模式被廣泛地運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)就是采用基于Socket通信方式來完成數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端之間的通信模型如圖5所示。

Socket的通信模型有兩種［10］：TCP和UDP。TCP(面向連接方式)采用IP流的形式數(shù)據(jù)發(fā)送,數(shù)據(jù)的傳輸過程當(dāng)中丟包少，傳輸可靠。UDP(無連接服務(wù))采用數(shù)據(jù)報文的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收送，不保證數(shù)據(jù)的可靠性。由于本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，但是要求數(shù)據(jù)可靠，因此為了確保傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少丟包，本系統(tǒng)采用了TCP的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3Socket編程

由于本設(shè)計選用的GPRS模塊內(nèi)部包含TCP協(xié)議，只需要通過AT指令操作GPRS模塊以TCP客戶端的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，因此只需要完成上位機(jī)數(shù)據(jù)接收的應(yīng)用程序編寫即可。由于本系統(tǒng)采用的是C#語言來編寫應(yīng)用程序，里面包含許多網(wǎng)絡(luò)編程所需的類和方法，在編程的過程中可調(diào)用這些類和方法。首先要實例一個Socket對象［11］，設(shè)置其傳輸?shù)母袷胶推鋫鬏攨f(xié)議，然后創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對象要包含其IP地址和端口號，再把實例好的套接字綁定到對應(yīng)的IP和端口號上，并開始監(jiān)聽來自下位機(jī)的連接，此處要設(shè)置一下監(jiān)聽隊列長度即同時處理請求連接的個數(shù)，由于本次只實現(xiàn)了一個客戶端，但是上位機(jī)軟件監(jiān)聽的客戶端數(shù)量可以自由設(shè)置（為了以后組網(wǎng)，方便擴(kuò)展），最后調(diào)用Accept函數(shù)處理客戶的連接，當(dāng)有客戶向服務(wù)器發(fā)起連接的時候，就會分配一個新的套接字，通過Send和Recv函數(shù)實現(xiàn)與客戶端之間的通信，循環(huán)接收和送數(shù)據(jù)，為了防止掉線，收到數(shù)據(jù)后自動回復(fù)內(nèi)容，相當(dāng)于系統(tǒng)已經(jīng)做了心跳處理。

3.4上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

本系統(tǒng)不僅能夠把數(shù)據(jù)實時顯示到界面系統(tǒng)上，同時還能夠把顯示的數(shù)據(jù)實時存儲起來，因此需要設(shè)計一個數(shù)據(jù)庫來存放日照數(shù)據(jù)。本設(shè)計選用微軟公司SQL Server數(shù)據(jù)庫［12］來存放數(shù)據(jù)。本程序采用SQL Server 2008R2版本設(shè)計日照存儲數(shù)據(jù)庫Sundata。同時能將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步到上位機(jī)軟件的DataGridView控件中，能夠按照時間查詢歷史數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格。導(dǎo)出表格并沒有采用官方提供的Excel專門類庫，在試驗中發(fā)現(xiàn)用此種方法與Office版本及其卸載殘留有很大關(guān)系，經(jīng)常出錯，移植性不好，所以采用了第三方的NPOI.dll，這樣不會因計算機(jī)的Office的不同版本而出現(xiàn)問題，便于程序的移植和分析數(shù)據(jù)。

3.5地圖功能實現(xiàn)

3.5.1GPS坐標(biāo)解析

GPS坐標(biāo)解析輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，常用語句有6 種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和 VTG。根據(jù)設(shè)計的需求來選擇不同的格式，這里采用了常見的GPRMC格式的語句，$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11><CR><LF>各個字符依次代表著不同的信息，根據(jù)需要提取了重要的經(jīng)度、緯度信息，由于上述經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)格式采用的是：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）格式，在程序中通過編寫函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為度的格式，為后面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供方便。

3.5.2地圖顯示

上位機(jī)地圖是是利用百度地圖API來實現(xiàn)的［13］，由于GPS模塊傳來的GPS信息中的經(jīng)度、緯度信息是真實的坐標(biāo)，利用地圖服務(wù)商提供的地圖顯示偏差會很大，因為受到國家一些法律法規(guī)限制，所有的電子地圖服務(wù)提供商都需要給地圖數(shù)據(jù)加上偏移和加密。所謂的地圖數(shù)據(jù)加密偏移，其實就是用一個偏移算法對地圖的經(jīng)緯度做一個加減偏移量，從而達(dá)到與實際地圖不一致。偏移算法本身是沒有什么規(guī)律可言的，每家地圖服務(wù)商都有一套自己的加密偏移算法，國內(nèi)地圖應(yīng)用顯示的都不是真實的GPS坐標(biāo)，所以百度對外提供的坐標(biāo)系是百度自己的坐標(biāo)系，而GPS獲得的是原始坐標(biāo)，兩者不在一個坐標(biāo)系上，所以有很大的誤差，誤差在千米之外，這顯然不能滿足需要。所以必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把兩者換成統(tǒng)一坐標(biāo)系。換成原始GPS坐標(biāo)在國內(nèi)原則上是違法的，所以只能統(tǒng)一成各個地圖運(yùn)營商自己的坐標(biāo)系，本文選擇百度坐標(biāo)系。

4結(jié)論

針對目前日照采集作業(yè)通信方式單一、作業(yè)場景有缺陷的問題，本文以嵌入式系統(tǒng)為平臺，提出了一種基于 GPRS 的遠(yuǎn)程無線采集日照數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、直接輻射輻照度、日照分鐘累計、小時累計、日累計等信息采集獲取技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了一套現(xiàn)代化的、適合多場合的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。整個作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ARM中央處理器、采集作業(yè)數(shù)據(jù)的相關(guān)傳感器、供電管理電路及GPS模塊、GPRS通信模塊組成。采集的日照數(shù)據(jù)通過GPRS通信傳送至計算機(jī)，用計算機(jī)當(dāng)作數(shù)據(jù)中心對獲取的數(shù)據(jù)信息整合處理。用計算機(jī)不僅可以實時獲取所需要的信息，而且提供了對已有歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。

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［12］ 劉俊強(qiáng).SQL Server 2008入門與提高［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2014.

［13］ GPS坐標(biāo)換算為百度坐標(biāo)［EB/OL］.(2014-11-17)［2016-11-17］http://www.cnblogs.com/soundcode/p/4104281.html.