戴慧慧 楊俊 李瑞金

摘?要：針對(duì)寵物的多動(dòng)性、活動(dòng)范圍廣和地形復(fù)雜，導(dǎo)致普通市面上簡(jiǎn)單的定位項(xiàng)圈難以準(zhǔn)確找到寵物狗的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的新型寵物項(xiàng)圈，不僅可以準(zhǔn)確定位，還可以輔助寵物狗自己找到回家的路。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信;GPRS網(wǎng)絡(luò);單片機(jī)

1?硬件設(shè)計(jì)

1.1?總體設(shè)計(jì)原理

總體硬件設(shè)計(jì)組成框圖如圖1所示。這是一種由單片機(jī)控制的寵物丟失召回項(xiàng)圈，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，選擇stm32f103c8t6作為主控制芯片。當(dāng)寵物狗走失，主人手機(jī)通過(guò)GPRS接收項(xiàng)圈發(fā)出的信息監(jiān)視寵物狗的GPS位置信息，當(dāng)主人察覺(jué)其寵物狗確實(shí)走失，可通過(guò)手機(jī)按下一鍵回家功能。此時(shí)項(xiàng)圈就會(huì)進(jìn)入輔助回家狀態(tài)，以寵物狗為圓心，在其家的方向30度圓心角的扇形區(qū)域?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)，其余330度區(qū)域?yàn)榭臻e狀態(tài)，當(dāng)寵物狗的頭部朝向家的方向（即在上述30度區(qū)域內(nèi)），此信息由GPS數(shù)據(jù)、三軸陀螺儀數(shù)據(jù)、三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，以及電子羅盤(pán)數(shù)據(jù)共同提供給芯片，此時(shí)揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出主人事先錄好的聲音，寵物狗聽(tīng)到主人熟悉的聲音就會(huì)跟隨聲音朝此方向走，而朝向其余330度區(qū)域時(shí)揚(yáng)聲器無(wú)任何反應(yīng)，芯片通過(guò)實(shí)時(shí)建立家的方向最終正確引導(dǎo)寵物狗安全回家。

1.2?位置

由一塊GPS電路板提供寵物位置坐標(biāo)，由一塊電子羅盤(pán)MAG3110和加速度傳感器提供方向，由陀螺儀提供姿態(tài)。從而準(zhǔn)確定位小狗的位置，其中傳感器采用MAG3110傳感器，這是一種功率消耗極低的小型數(shù)字式3D磁傳感器，采用I2C接口，具備良好的動(dòng)態(tài)范圍，即使所處環(huán)境中干擾的磁場(chǎng)量很高，也能夠正常工作。MAG3110磁傳感器的工作原理就是測(cè)量PCB板中元件產(chǎn)生的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)的和，即局部磁場(chǎng)的分量。使用這種方法測(cè)出來(lái)的局部的磁場(chǎng)量最高可達(dá)十個(gè)數(shù)量級(jí)的高斯，輸出數(shù)據(jù)的速率可以穩(wěn)定在85Hz左右;將磁傳感器與三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，能夠得到準(zhǔn)確度極高的羅盤(pán)信息，此信息不同于方向信息。在使用電子羅盤(pán)和三軸加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，加上三軸陀螺儀的數(shù)據(jù)，可以彌補(bǔ)測(cè)量的不足。通過(guò)三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的功能疊加，可以構(gòu)建一個(gè)六軸的傳感器模型，這種傳感器模型可以作為運(yùn)動(dòng)傳感器使用，其檢測(cè)范圍基本涵蓋所有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。物體的運(yùn)動(dòng)包括三軸的位移和三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這些參數(shù)可以組成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)軌跡。在此基礎(chǔ)之上結(jié)合電子羅盤(pán)的應(yīng)用既可以檢測(cè)到物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，又能夠校準(zhǔn)物體的位置信息，最終用這種方式來(lái)完成寵物狗移動(dòng)軌跡的跟隨，由此可以得到一個(gè)完整的軌跡。

1.3?通信

在準(zhǔn)確定位寵物狗位置和追蹤寵物狗運(yùn)動(dòng)軌跡后，將其位置軌跡信息通過(guò)通信模板傳到手機(jī)終端，通信模塊主要應(yīng)用GPRS無(wú)線分組交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，這種與以往不同的業(yè)務(wù)主要應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，它的前身是GSM通信。GPRS運(yùn)用的分組交換技術(shù)有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，原因在于使用這種業(yè)務(wù)時(shí)每個(gè)信道可以為多個(gè)用戶共同享用，并且在同一時(shí)間內(nèi)每位用戶又能夠享用多個(gè)信道，相比于傳統(tǒng)方式這樣就提高了信道的使用率。GPRS許可用戶在兩端組別跳躍下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這種方法通過(guò)用戶使用的流量對(duì)其進(jìn)行繳費(fèi)，用戶不使用的時(shí)候既不會(huì)掉線也不會(huì)收取任何費(fèi)用，用戶可以隨時(shí)在線，這種業(yè)務(wù)在提高工作效率的同時(shí)也降低了使用費(fèi)用。使用GPRS通信透明化，傳輸效率高，適用范圍廣，對(duì)于一般個(gè)人用戶來(lái)說(shuō)有著較高的開(kāi)發(fā)前景。通信模塊主要建立在AGPRS定位服務(wù)系統(tǒng)，利用GPS提供的定位信息以及手機(jī)基站提供的信息實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的定位功能，同時(shí)通過(guò)使用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，這樣實(shí)現(xiàn)的距離更遠(yuǎn)。

1.4?報(bào)警

一個(gè)功放電路并且連接3瓦4歐姆的揚(yáng)聲器提供語(yǔ)言外放，并且含有TF（TransFlash）卡槽，可插入有寵物主人錄音的TF卡;由鋰電池提供電力，并且配備太陽(yáng)能充電板，可在電池沒(méi)電時(shí)進(jìn)行充電。

2?軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以stm32c8t6為核心芯片，使用C語(yǔ)言編程。stm32c8t6芯片使用ARM內(nèi)核，工頻可達(dá)到72MHZ，有連接到APB總線的外設(shè)，以及增強(qiáng)型的IO端口。兩個(gè)12位ADC可提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。三個(gè)16位通用定時(shí)器可用于定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。還包括用于通信的I2C接口，USART接口，USB接口等等，stm32c8t6芯片供電電壓為2.0至3.6V。并且為了達(dá)到功率消耗更低，芯片采用省電的模式。C語(yǔ)言運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)大，并且C語(yǔ)言具有語(yǔ)言簡(jiǎn)短、靈活多變、多種運(yùn)算符、數(shù)據(jù)類型豐富，沒(méi)有嚴(yán)格的語(yǔ)法限制，具有現(xiàn)代語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)，編程自由度大等優(yōu)點(diǎn)。并且使用這種語(yǔ)言進(jìn)行編程得到的程序的可移植性更高，在今后的項(xiàng)目技術(shù)迭代中更加便利。

在主控制芯片與通信模塊之間，采用異步串行通信的通信協(xié)議。GPS、陀螺儀、電子羅盤(pán)、加速度計(jì)等外部傳感器用串口與stm32收發(fā)數(shù)據(jù)，stm32通過(guò)GPIO口的分時(shí)復(fù)用功能實(shí)時(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部軟件濾波以及算法分析將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)信息，如位置信息、方位、姿態(tài)等，緊接著通過(guò)通信模塊發(fā)送回用戶端，并在Android軟件上顯示信息。

GPRS通信底層的驅(qū)動(dòng)部分包括：IO口初始化、串口初始化、AT指令操作、串口中斷函數(shù)。

GPRS通信主程序主要步驟：①TCP/IP連接流程的控制（即AT指令控制）：檢測(cè)模塊串口工作，檢查是否插卡，檢查網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)情況，附著網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置PDP參數(shù)，激活網(wǎng)絡(luò)，連接TCPIP服務(wù)器;②數(shù)據(jù)處理控制：通過(guò)控制GPRS數(shù)據(jù)的傳輸，利用中斷的方式得到信息，將GPRS數(shù)據(jù)包含于此信息中再次進(jìn)行發(fā)送;③檢測(cè)是否超時(shí)：進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)檢測(cè)，第一次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，則使TCP/IP的連接進(jìn)行斷開(kāi)操作，而后再次連接，第二次再檢驗(yàn)GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果數(shù)據(jù)發(fā)送還是不成功則可將其復(fù)位，然后再次連接。

通過(guò)以上操作能夠?qū)崿F(xiàn)以GPRS通信技術(shù)為基礎(chǔ)的用戶與項(xiàng)圈之間的通信。

3?結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)是定位、姿態(tài)獲取、運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤、無(wú)線通信以及GPRS無(wú)線分組交換技術(shù)的應(yīng)用，采用此種方案設(shè)計(jì)出的寵物狗丟失狀態(tài)判定與召回項(xiàng)圈，可以有效地解決寵物狗主人丟失愛(ài)犬后及時(shí)找回的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]何平.基于Zig?Bee技術(shù)的定位研究與應(yīng)用[D]南京：南京郵電大學(xué)，2012.

[2]周峰.基于Android能手機(jī)平臺(tái)的GPS開(kāi)發(fā)[J]大眾科技，2012，14（157）：26，3132.

項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202010361112）

作者簡(jiǎn)介：戴慧慧（1999—?），女，漢族，安徽人，在讀本科生，研究方向：通信工程;楊?。?000—?），男，安徽人，在讀本科生，研究方向：電氣及其自動(dòng)化;李瑞金（1983—?），男，安徽人，博士在讀，研究方向：檢測(cè)自動(dòng)化裝置。