范整整，萬 濤，趙詩婷

（華東交通大學 信息工程學院，江西 南昌 330013）

0 引 言

隨著生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大，人們將投入更多精力忙于工作和家務(wù)，家中的老人、兒童、智障者等特殊群體很難得到細致的照顧，意外走失現(xiàn)象頻頻發(fā)生。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的今天，借助科技手段實現(xiàn)特殊群體的定位監(jiān)護[1-3]可以極大地減輕監(jiān)護人的壓力?；诖?，本文提出了一種基于微信小程序的特殊群體定位器設(shè)計[4-5]。監(jiān)護人通過微信小程序不但可以隨時查看特殊群體目標的位置信息，還可以為特殊群體設(shè)置警戒區(qū)域，系統(tǒng)檢測到特殊群體目標所在位置超出警戒區(qū)域后，便向監(jiān)護人手機發(fā)送提醒信息，提前預(yù)警可能發(fā)生的意外。特殊群體亦可通過定位器主動向監(jiān)護人呼救。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)核心是設(shè)計一款能夠幫助監(jiān)護人更高效靈活地監(jiān)控特殊群體的微信小程序系統(tǒng)，分為軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩部分。硬件部分即定位器終端通過GPS定位模塊（GT-U7）[6]實現(xiàn)特殊人群的位置信息采集。將收集的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送引腳發(fā)送到單片機，由單片機將數(shù)據(jù)處理成字符形式，并通過NB-IoT將數(shù)據(jù)發(fā)送到微信小程序后臺[7]，微信小程序在服務(wù)器上獲取定位數(shù)據(jù)。按鍵產(chǎn)生中斷，單片機將信息發(fā)送到服務(wù)器，監(jiān)護人可在微信小程序上收到特殊群體的SOS呼救信息。軟件部分采用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，主要包括三個頁面：登錄頁面、地圖主頁面、個人中心頁面，其中地圖主頁面包含了實時監(jiān)控位置的按鈕及地圖上顯示的安全圍欄（系統(tǒng)采用電子圍欄技術(shù)規(guī)劃警戒區(qū)域范圍）。系統(tǒng)包括下列功能模塊。

（1）定位模塊。該模塊使用GPS定位系統(tǒng)制作硬件控件，設(shè)計使用高靈敏度、低功耗的輕便GT-U7模塊對特殊人群進行定位。

（2）實時監(jiān)控模塊。該模塊使用WH-NB75與微信小程序進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。當特殊人群走失時，通過NB-IoT（WH-NB75）模塊發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后使用微信小程序進行定位查找。

（3）SOS呼救模塊。當特殊人群按下定位器按鍵后，單片機發(fā)出中斷提醒，向NB-IoT模塊傳送數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到信息后在微信小程序上提醒監(jiān)護人特殊人群目標正在呼救。

（4）安全圍欄模塊。監(jiān)護人設(shè)置電子圍欄，服務(wù)器會向定位器發(fā)送相應(yīng)的電子圍欄數(shù)據(jù)，定位器獲取到該指令后保存數(shù)據(jù)。當定位器的活動范圍超過警戒區(qū)域時，定位器自動在微信小程序上提醒監(jiān)護人特殊人群目標已超出安全區(qū)域。

系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包括STC15單片機、GT-U7、WH-NB75、按鍵以及其他電子元件。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 定位模塊

GT-U7發(fā)送GPS數(shù)據(jù)至單片機的過程：GT-U7的TX引腳與單片機的RX引腳相接，初始化單片機和GT-U7，通過配置軟件將串口的波特率設(shè)置為9 600 b/s，選擇串行端口的工作方式和中斷模式。GPS與單片機通信成功即可實現(xiàn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機的功能。

2.2 單片機模塊

STC單片機接收GPS數(shù)據(jù)的過程：首先識別數(shù)據(jù)串中的第一個數(shù)據(jù)，如果正確，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，否則向GPS模塊報告錯誤，并重新接收新的數(shù)據(jù)。如果接收的數(shù)據(jù)幀正確，則對數(shù)據(jù)格式進行處理，將其轉(zhuǎn)換為字符形式并顯示。STC15接收定位數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 STC15接收定位數(shù)據(jù)流程

單片機處理GT-U7傳來的定位信息的過程：獲取時間戳，然后將世界標準時間hhmmss（時分秒）格式轉(zhuǎn)換為HH：MM：SS格式。之后處理接收器中的位置數(shù)據(jù)，首先區(qū)分南北緯度，之后區(qū)分東西經(jīng)度。

2.3 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

NB-IoT選用數(shù)據(jù)傳輸終端WH-NB75發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，利用CoAP透傳模式保證數(shù)據(jù)的完整傳輸。透明傳輸模式是指對傳輸數(shù)據(jù)中的起始符與終止符視而不見。數(shù)據(jù)通過透明傳輸云從串口傳輸?shù)皆品?wù)器之前，需要對WH-NB75進行簡單配置。依次將NB75插到評估板插座上，將計算機與評估板用串口線連接，將SIM卡插到卡槽中，將天線連接到模塊上，使用配置軟件進行串口波特率、服務(wù)器地址、端口號的配置。配置完成，便可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.4 按鍵求救模塊

該模塊功能的實現(xiàn)主要依賴STC15單片機的外部中斷機制。按下定位器端的按鍵，觸發(fā)中斷，由單片機進行中斷處理，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，之后單片機發(fā)送提醒信息給云服務(wù)器，微信小程序通過云服務(wù)器獲取提醒特殊人群走失的提示信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件部分設(shè)計流程

本課題軟件部分為微信小程序，注冊微信小程序后，進行騰訊云開發(fā)的申請，申請通過后便能夠連接硬件和小程序。開通云開發(fā)功能之后，創(chuàng)建NoSQL數(shù)據(jù)庫，申請騰訊地圖使用權(quán)限后便能在微信小程序中編寫地圖相關(guān)代碼。

3.2 軟件相關(guān)配置

云開發(fā)空間通常使用NoSQL數(shù)據(jù)庫[8-9]，該數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)以集合為單位進行屬性存儲，更易于實現(xiàn)高性能、高擴展的存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)創(chuàng)建一個location集合進行硬件定位數(shù)據(jù)的存儲，便于小程序端讀取定位數(shù)據(jù)。首先設(shè)置數(shù)據(jù)庫的環(huán)境，本系統(tǒng)自定義開發(fā)環(huán)境為prventpersonlose-998sn；然后創(chuàng)建一個location集合進行記錄存儲，其中記錄id由云端自主生成機器碼，作為記錄的唯一區(qū)分，同時設(shè)定記錄id為SOS的Boolean變量作為緊急求救按鈕變量，實現(xiàn)按鍵求救功能。

本系統(tǒng)需要用到安全圍欄以及位置移動等高端地圖功能。騰訊地圖可以提供多種開發(fā)工具與服務(wù)[10]，因此考慮申請騰訊地圖API來獲取更高端的函數(shù)對地圖進行展示。

3.3 小程序界面與功能實現(xiàn)

（1）小程序?qū)崟r顯示位置功能

本系統(tǒng)的核心是定位。定位功能主要通過定位器終端GPS實現(xiàn)，與騰訊云函數(shù)建立連接之后將定位相關(guān)信息及時傳輸，云函數(shù)將硬件信息進行解析后存入數(shù)據(jù)庫中。此時小程序每隔9 s就對被監(jiān)控端位置進行一次服務(wù)器數(shù)據(jù)拉取。

（2）小程序安全圍欄功能

本系統(tǒng)中安全圍欄的實現(xiàn)主要借助騰訊地圖實現(xiàn)。Circles能夠在map上繪制一個半徑由用戶設(shè)定的圓圈，該圓圈能從視覺上實現(xiàn)安全圍欄的效果。本系統(tǒng)采用經(jīng)緯度兩點換算成直線距離的算法，對監(jiān)控端和定位器端的直線距離進行換算，具體算法近似在一個球體上求兩點弧長的算法。兩點間距離換算之后與圓的半徑進行比較，便能夠知曉目標人物是否走出了安全圍欄。

（3）緊急求救功能

在硬件部分設(shè)有緊急求救按鈕，當按下按鈕之后，硬件端會與服務(wù)端建立連接，將信息傳輸?shù)皆坪瘮?shù)中進行解析，并存入數(shù)據(jù)庫中的SOS記錄，將SOS記錄設(shè)置為true。小程序端在拉取數(shù)據(jù)時判斷SOS記錄是否為true，如果記錄為true，則告知系統(tǒng)定位器端的求救按鍵已按下。

4 系統(tǒng)測試

4.1 實時定位功能

本系統(tǒng)需要手機用戶對微信開啟位置權(quán)限，否則打開小程序后地圖無法顯示。將手機定位功能開啟之后，便能夠看見主頁面刷新出圖4所示的地圖，并且還能看到當前用戶所處位置。

圖4 地圖界面

本系統(tǒng)調(diào)用了騰訊地圖，在小程序編寫時要注意是否獲取到正確的Acckey，如果Acckey錯誤將導(dǎo)致地圖無法加載。

4.2 安全警戒區(qū)域功能

點擊按鈕之后每隔9 s不僅會刷新被守護端的位置，同時還能夠?qū)Χㄎ黄鞫耸欠褡叱霭踩珖鷻?，是否點擊緊急求救按鈕進行判斷，并發(fā)出警示。當被定位器端走出安全圍欄時，會有彈窗提示用戶被監(jiān)控端已經(jīng)走出安全圍欄，如圖5所示。

4.3 按鍵提醒功能

當定位器端點擊了緊急求救按鈕之后，就會在地圖主界面跳出彈窗，提醒定位器端正在緊急求救，如圖6所示。

圖5 超出安全圍欄范圍警示界面

圖6 SOS呼救界面

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于微信小程序的特殊群體防走失定位系統(tǒng)，能夠準確定位被監(jiān)督人群，并在發(fā)生意外時及時提醒、報警。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。