劉 磊，陳棟梁，趙宏偉，許耀華

（安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230039）

基于ARM11和Zigbee的人員定位防丟器

劉 磊，陳棟梁，趙宏偉，許耀華

（安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230039）

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款多功能人員定位防丟器，它是由ARM組網(wǎng)，采用Zigbee技術(shù)和電子指南針結(jié)合，由子機(jī)和母機(jī)組成，分別置于不同人員身上，具有防丟和定位尋找的功能.子機(jī)和母機(jī)均具有多頻段數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境復(fù)雜程度自適應(yīng)選擇適當(dāng)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，確保通信的可靠性.母機(jī)系統(tǒng)包含顯示和報(bào)警系統(tǒng)以及地圖軟件，確保了在定位人員位置的情況下，快速選取正確路線找到走失人員.電路主要采用集成芯片制作，所以具有電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，功耗及成本低等優(yōu)點(diǎn).

防丟器；多頻段；收發(fā)裝置；報(bào)警系統(tǒng)；子機(jī)電路

目前，我國(guó)兒童、老人及智障人員走失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，兒童走失24小時(shí)后被拐賣的幾率大大增加，尋找的難度也大大增加，所以如何防止家人走失及如何快速找到走失的家人成為一件急需解決的問(wèn)題.而目前市場(chǎng)上的防丟器主要針對(duì)于物品的丟失，功能過(guò)于單一，不適于人員的定位與尋找.本文中設(shè)計(jì)了一款針對(duì)于人員防丟的多功能定位防丟器，采用多頻段進(jìn)行信號(hào)傳輸，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，在防丟的同時(shí)進(jìn)行人員定位.

1 系統(tǒng)概述

1.1 電路組成框圖

如圖1所示，系統(tǒng)由ARM組網(wǎng)，其中GPS、zigbee芯片、顯示屏、時(shí)鐘、電源、存儲(chǔ)器、LED、報(bào)警器均與ARM相連.電源向系統(tǒng)供電，zigbee芯片在780mhz頻段上進(jìn)行自組網(wǎng)，形成一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng).GPS芯片和zigbee芯片主要負(fù)責(zé)完成信息的收發(fā)，并將接收來(lái)的信號(hào)通過(guò)濾波、ADC、解調(diào)、CRC校驗(yàn)等處理后送入ARM.ARM對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果輸出到顯示屏上，同時(shí)根據(jù)結(jié)果進(jìn)行判斷是否閃爍LED燈或進(jìn)行報(bào)警.在ARM平臺(tái)，用QT變成實(shí)現(xiàn)了地圖定點(diǎn)顯示，大幅度提高了人員的準(zhǔn)確定位.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 硬件電路組成框圖

如圖1所示，左邊是子機(jī)，右邊是母機(jī).子機(jī)由數(shù)據(jù)采集電路、編碼調(diào)制電路和無(wú)線發(fā)射電路組成，編碼器輸出具有地址信息的編碼信號(hào)，送到無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)行調(diào)制，輸出穩(wěn)定的無(wú)線電波.母機(jī)由接收模塊、解碼解調(diào)電路、報(bào)警和顯示屏等電路組成.當(dāng)接收模塊收到子機(jī)發(fā)射的具有一定強(qiáng)度的無(wú)線電波信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行檢波還原出編碼信號(hào)，送至譯碼解調(diào)電路.數(shù)據(jù)經(jīng)ARM處理后，輸出到顯示屏上，當(dāng)子母機(jī)之間的距離超過(guò)預(yù)置的距離，解碼電路輸出的信號(hào)使報(bào)警電路工作.

硬件電路組成框圖

1.3 硬件電路組成

1.31 Zigbee模塊——HMD40201

HMD40201網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊是瀚之顯具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)VNET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的組成部分，收發(fā)機(jī)部分是基于IEEE802.15.4國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而構(gòu)建，MCU部分則是采用低功耗、高效率的COTEX-M3核.H MD40201使用的是WPAN中國(guó)頻段779MHZ～787MHZ（UHF頻帶Sub 1G頻段），在物理層采用先進(jìn)的DSSS直序擴(kuò)頻技術(shù)，支持BPSK和O-QPSK兩種調(diào)制模式，多種空中傳輸速率，與2.4GHZ頻段比對(duì)，具有良好的穿透力、繞射性能、抗衰減能力等電磁特性，這些特性可以較好的應(yīng)對(duì)建筑物和樓群等復(fù)雜通訊條件下電磁信號(hào)雜化（多路徑效應(yīng)）的挑戰(zhàn)，適用于有密集阻擋環(huán)境（如集抄項(xiàng)目和其它工業(yè)控制項(xiàng)目）時(shí)通信效果不理想的環(huán)境，HMD40201收發(fā)機(jī)采用了CSMA/CA碰撞避免的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，有效解決了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)碰撞的問(wèn)題，并且物理層采用了數(shù)據(jù)收發(fā)校驗(yàn)，失敗重發(fā)機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性.

接口方式：TTL 串口，115200，8，N，1，并提供SPI接口和I2C接口及更多GPIO接口，資源豐富，方便二次開發(fā)；模塊采用1.27mm間距標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，通過(guò)插座進(jìn)行連接，可以方便的接入用戶底板.配置I-PEX射頻天線端子，可選配多種增益的橡膠天線、吸盤天線等，滿足實(shí)際需要；工作于780M/920M免費(fèi)ISM頻段，4個(gè)可選信道，系統(tǒng)容量大；超低功耗設(shè)計(jì)，最大發(fā)射功率5mW，接收電流小于10mA.支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，超高抗干擾能力和低誤碼率，視距可靠傳輸距離遠(yuǎn).

圖1 Zigbee芯片實(shí)物圖

圖2 Zigbee引腳簡(jiǎn)圖

1.32 ARM11——飛凌OK6410

ARM11微處理器是一種高性能、低功耗的‘準(zhǔn)64位’微處理器！對(duì)于目前大多數(shù)嵌入式應(yīng)用，一個(gè)真正的64位處理器仍然被認(rèn)為是不必要的，其巨大的功耗和面積讓人難以接受.對(duì)此，ARM11選擇了一個(gè)折中的方案，以較小的代價(jià)，部分實(shí)現(xiàn)了一個(gè)64位微架構(gòu).ARM11只在處理器整數(shù)單位和高速緩存之間，以及在整數(shù)單位和協(xié)處理器之間實(shí)現(xiàn)了64位數(shù)據(jù)總線.這些64位數(shù)據(jù)道路允許處理器在一個(gè)時(shí)鐘周期中同時(shí)獲取兩條指令，還允許在一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行多個(gè)數(shù)據(jù)讀寫指令.這使得ARM11在執(zhí)行很多特定序列的代碼時(shí)能夠達(dá)到非常高的性能，特別是那些允許數(shù)據(jù)搬移與數(shù)據(jù)處理并行處理的代碼序列.

S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價(jià)比的RSIC處理器，它基于ARM11內(nèi)核（ARM1176JZF-S），可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話和通用處理等領(lǐng)域；S3C6410為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器：包括運(yùn)動(dòng)視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等；集成了一個(gè)MFC（Multi-Format video Codec）支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議以及NRSC和PAL制式的TV輸出；除此之外，該處理器內(nèi)置一個(gè)采用最先進(jìn)技術(shù)的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/2.0和 D3DM API，能實(shí)現(xiàn) 4M triangles/s的3D加速；同時(shí)，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求.由于以上突出的性能表現(xiàn)，著名的蘋果公司手機(jī)IPHONE就是基于S3C6410處理器.

OK6410開發(fā)板基于三星公司最新的ARM11處理器S3C6410，擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源和視頻處理能力，可穩(wěn)定運(yùn)行在667MHz主頻以上，支持Mobile DDR和多種NAND Flash.OK6410開發(fā)板上集成了多種高端接口，如復(fù)合視頻信號(hào)、攝像頭、USB、SD卡、液晶屏、以太網(wǎng)，并配備溫度傳感器和紅外接收頭等.

OK6410的軟件系統(tǒng)目前支持WinCE 6.0、LINUX2.6.28、Android2.1以及 uC/OS-II，提供標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)支持包（BSP）并開放源碼，其中包含了所有接口的驅(qū)動(dòng)程序，客戶可以直接加載使用.另外，該板可連接飛凌公司與之相配套使用的串口擴(kuò)展板、WIFI模塊、攝像頭模塊等.

2 通信協(xié)議

2.1 GPS模塊——REB-3571LP

GPS上電后，每隔一定的時(shí)間就會(huì)返回的數(shù)據(jù)，格式為：$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x.結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)際需要我們將解析GPRMC數(shù)據(jù)包.該數(shù)據(jù)包完整的數(shù)據(jù)如下：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65 641,E,1.045,328.42,170809,,,A*60

注：<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位

<3>緯度ddmm.mmmm（度分）格式

<4>緯度半球N（北半球）或S（南半球）

<5>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）格式

<6>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）

<7>地面速率

<8>地面航向（000.0～359.9度）

2.2 算法協(xié)議

工作過(guò)程：

（1）系統(tǒng)加電啟動(dòng)后，進(jìn)行初始化，此時(shí)裝載到芯片中的地圖軟件被啟動(dòng)，并將周圍環(huán)境顯示到顯示屏上.

（2）ARM發(fā)組網(wǎng)命令，zigbee進(jìn)行自組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后，zigbee和GPS開始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)交由ARM處理.

（3）ARM將處理好的數(shù)據(jù)輸出到顯示屏，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果判斷子機(jī)和母機(jī)之間的距離是否超過(guò)預(yù)定值，若超過(guò)預(yù)定值則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，提醒用戶注意.

（4）此時(shí)，顯示屏上顯示了子機(jī)所處位置及其周圍環(huán)境狀況，用戶可根據(jù)周圍道路情況選擇合適途徑快速找到子機(jī).

3 結(jié)論

本文提出了一種近距離電子防丟報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案.目前，兒童、老人及智障人員走失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，該方案的應(yīng)用可以很好的避免類似情況.本文在總結(jié)目前市場(chǎng)現(xiàn)有的防丟器的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)防丟報(bào)警器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步的探討，克服了目前市場(chǎng)上報(bào)警器功能單一、只能應(yīng)用在物品丟失等缺點(diǎn)，GPS定位及可裝載地圖功能為用戶快速找到子機(jī)創(chuàng)造了有利條件.

〔1〕李文仲.ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2007.184-200.

〔2〕劉和平，劉林，余紅欣，鄭群英.PIC18FXXXA RM原理及接口程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

〔3〕譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2006.

〔4〕ZigBee Protocol Specification.

TP311

A

1673-260X（2012）09-0011-03