DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2016.11.012

引 言

由于社會的復(fù)雜性及較快的生活節(jié)奏，兒童走失和被拐賣事件時有發(fā)生，這種現(xiàn)象深深刺痛了我們的心。全球定位系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用在預(yù)防兒童丟失方面起到了很好的作用。全球定位系統(tǒng)簡稱 GPS[1]，由美國于 1994 年建成并投入使用，該系統(tǒng)通過接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋、全天候、連續(xù)實(shí)時提供高精度的非自主式導(dǎo)航與定位, 很好地解決了導(dǎo)航和定位問題[2]。在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，市場上已有許多基于 GPS 技術(shù)的產(chǎn)品如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 手持式用戶機(jī)等，為用戶的工作和日常生活帶來了極大的便利。

GPS 的基本定位原理是 ：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動速度和時間信息。事實(shí)上， 接收機(jī)往往可以鎖住 4 顆以上的衛(wèi)星，這時接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組 4 顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度[3]。

本文以防止兒童丟失為背景，研究GPS技術(shù)在便攜式佩戴設(shè)備中的應(yīng)用，通過Andriod系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手機(jī) App 的開發(fā)， 幫助家長隨時遠(yuǎn)程掌握兒童的位置信息。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該智慧定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)的主要模塊構(gòu)成及功能如下所示：

(1) MCU主控制模塊采用MSP430芯片實(shí)現(xiàn)對人機(jī)接口的控制以及對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行處理；

(2) 在室外 GPS信號接收良好時，GPS模塊實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號的接收，并傳輸?shù)轿⒖刂菩酒琈SP430f149；

(3) 在室內(nèi)，衛(wèi)星信號接收能力較差時，采用 GPRS模塊SIM900a基站定位方式，獲得定位坐標(biāo)并傳輸?shù)街骺刂破鳎?

(4) 在緊急情況下可以向家長手機(jī)發(fā)送求助信息。

此外，該系統(tǒng)還開發(fā)了基于Android 手機(jī)的App，便于家長隨時以地圖的形式查看孩子的位置。

2 主控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制器采用MSP430 芯片，該芯片外圍硬件資源豐富，數(shù)據(jù)處理速度快，功耗遠(yuǎn)低于其它系列產(chǎn)品 [2]，在便攜式設(shè)備的開發(fā)中應(yīng)用廣泛。在本設(shè)計(jì)中MSP430 與GPS 接收模塊相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并控制液晶顯示芯片LCD5110 以實(shí)現(xiàn)位置和時間信息的顯示。在本設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立式按鍵以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置和緊急求助功能。主控芯片MSP430 電路圖如圖 2 所示。

3 GPS信號接收模塊設(shè)計(jì)

GPS 接收模塊采用高性能的NEO-6M 模組，具有 50 個通道，模塊自帶高性能無源陶瓷天線，追蹤靈敏度高，兼容3.3 V/5 V 電平，可以直接與單片機(jī)連接，連接圖如圖 3 所示。GPS 模塊的 RXD、TXD 引腳分別與 MSP430 芯片的 P3.4、P3.5 引腳相連，實(shí)現(xiàn)定位信息的串行輸出，且該GPS 芯片自帶串行接口引腳SCL、SDA，可與存儲器連接，對定位信息進(jìn)行保存。其硬件電路如圖 3 所示。

GPS 接收模塊在某一時刻接收到 4 顆以上的 GPS 衛(wèi)星 信號導(dǎo)航電文，采用 NMEA-0183 協(xié)議計(jì)算定位數(shù)據(jù)的輸出格 式為 ASCII 碼字符串，該格式稱為幀，比較直觀且易于處理， 在許多高級語言中都可以直接進(jìn)行判別、分離，提取用戶所需 要的數(shù)據(jù) [4]

。其格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)。

(1) $: 幀命令起始位。

(2) aaccc ：地址域，前兩位為識別符，后三位是語句名。

(3) ddd，…，ddd ：數(shù)據(jù)。

(4) *：校驗(yàn)和前綴，也可以作為語句數(shù)據(jù)結(jié)束的標(biāo)志。

(5) hh：校驗(yàn)和，$ 與 * 之間所有字符 ASCII 碼的校驗(yàn)和。

(6)(CR)(LF) ：幀結(jié)束，回車和換行符。

NMEA-0183 常用命令行如表 1 所列。

4 GPRS 遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計(jì)

 本定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時、靈敏的定位目標(biāo)，當(dāng)位于 室內(nèi)時衛(wèi)星信號微弱，可采用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行位置信息的遠(yuǎn)程 傳輸。選用一款性能強(qiáng)大的 GSM/GPRS 模塊芯片 SIM900A， 可以內(nèi)置用戶程序，連接 SIM 卡時可遠(yuǎn)程發(fā)送位置信息和緊 急求助信號。其硬件電路如圖 4 所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)上述電路圖，軟件部分采用 C 語言編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng) 初始化完成對各外圍芯片的參數(shù)設(shè)置，GPS 信號的接收通過 串行通信接口實(shí)現(xiàn)，并在微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和定位信 息的計(jì)算。系統(tǒng)流程圖如圖 5 所示。

通過實(shí)物的軟硬件聯(lián)合調(diào)試可實(shí)現(xiàn) GPS 信號的接收和顯 示，并在室內(nèi)采用 GPRS 技術(shù)進(jìn)行基站定位，取得了良好的效 果。根據(jù)文獻(xiàn) [5,6] 在 Andriod 手機(jī)系統(tǒng)下開發(fā)了App 軟件， 顯示實(shí)時定位信息。實(shí)物調(diào)試圖如圖 6 所示。

6 結(jié) 語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下幾項(xiàng)功能 ：

（1）采用低功耗控制器，提高了該定位系統(tǒng)的待機(jī)時間。

（2）在室外時采用 GPS 定位，定位準(zhǔn)確 ；在室內(nèi)，當(dāng) GPS 信號接收能力較差時，系統(tǒng)切換至基站定位，因此本手 環(huán)無論在室內(nèi)還是室外都能獲得良好的定位能力。

（3）方便監(jiān)管者監(jiān)護(hù)低功能及特殊人群，攜帶者遇到危 險(xiǎn)時也可及時發(fā)送求救信號，保障生命安全。

（4）產(chǎn)品適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，稍加調(diào)整即可 用于車輛、物體等的定位。