基于AGPS定位系統(tǒng)的寵物定位項(xiàng)圈

劉立勛 蔡斯倫

摘 要：AGPS定位系統(tǒng)是一種GPS的運(yùn)行方式，以AGPS定位系統(tǒng)定位功能為基礎(chǔ)，通過使用手機(jī)基地站的信息，同時加上傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星的幫助，使這個方法定位的速度更快。同時通過使用GSM的通信功能去處理無線傳輸?shù)男畔?，?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?。?xiàng)圈使用STM32F103C8T6 MCU進(jìn)行信息獲取，信息處理及信息傳輸?shù)裙ぷ?。同時通過Zig Bee技術(shù)，構(gòu)造起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過此技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，擁有高精度的定位，準(zhǔn)確地找到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)AGPS無法實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)定位。

關(guān)鍵詞：AGPS定位；CC2530；AOA測距原理；ZigBee室內(nèi)定位

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0046-02

Abstract： AGPS positioning system is a kind of GPS operation mode， which is based on the positioning function of AGPS positioning system， through the use of mobile phone base station information， coupled with the help of traditional GPS satellite， so that the positioning speed of this method is faster. At the same time， the function of remote transmission is realized by using the communication function of GSM to process the information of wireless transmission. The collar uses STM32F103C8T6 MCU for information acquisition， information processing， and information transmission. At the same time， through the Zig Bee technology， the wireless sensor network system is constructed. Through the characteristics and advantages of this technology， it has high-precision positioning， accurately find the location of the nodes in the network， and realize the indoor positioning that AGPS cannot achieve.

Keywords： AGPS positioning； CC2530； AOA ranging principle； ZigBee indoor location

1 研究背景

1.1 寵物定位追蹤器的意義

隨著最近幾年社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，大家不再僅僅只注重于自身的健康和溫飽問題，也越來越關(guān)注日常生活中的各個方面，大家開始提升自己的生活質(zhì)量，養(yǎng)寵物就是最常見的方法之一。但在寵物為我們生活帶來快樂的同時，隨之而來的是一系列問題的出現(xiàn)。我們經(jīng)?？梢钥吹轿覀兊呐笥讶霈F(xiàn)寵物走失的尋找啟事，寵物主人丟失的不安，寵物走失的不安全性，已經(jīng)成為一個越來越大的社會問題。寵物走失如何解決的問題也成為了一個熱門話題，如何有效的對寵物進(jìn)行定位與監(jiān)控管理，也是一個越來越需要去解決的問題。

1.2 寵物定位追蹤器的市場分析

在上世紀(jì)90年代初期，因?yàn)槭袌鲂枨筮€沒如今如此龐大的原因，我國的寵物定位跟蹤系統(tǒng)市場尚未形成，同時因?yàn)橘Y金，技術(shù)，成本等多方面原因的限制，更多的只是興趣愛好者或者實(shí)驗(yàn)室所做出來的實(shí)驗(yàn)品。

90年代后期，寵物定位跟蹤系統(tǒng)市場經(jīng)歷了整頓，鞏固，充實(shí)和提高，在原先擁有的技術(shù)基礎(chǔ)上改造，使得整個系統(tǒng)更加完善和高效。但由于技術(shù)尚不成熟，導(dǎo)致定位的精度不高，范圍不廣泛，同時因?yàn)槌杀具^高，無法讓大眾所接受，所以無法得到廣泛的實(shí)際運(yùn)用。想要實(shí)現(xiàn)寵物定位追蹤器的廣泛運(yùn)用和投入，就必須在提高精度與范圍的同時大幅度地降低成本。

在2000年之后，瓶頸的問題是通信網(wǎng)絡(luò)通過GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而得到了新的發(fā)展和突破，隨之也帶動了定位跟蹤系統(tǒng)與市場不斷地趨于成熟化，迎來了新的發(fā)展和曙光，增長的趨勢變得十分快速。而到了近些年，隨著時代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)等高新設(shè)備的普及與高速發(fā)展，人們對于定位追蹤這類位置服務(wù)的需求也大大增加，國家政策的出臺以及寵物的全民普及，寵物定位追蹤器的需求量也越來越大，寵物市場成為了一個越來越熱門和搶手的機(jī)會，寵物定位追蹤系統(tǒng)市場迎來了一個巨大的發(fā)展空間。

2 寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)組成

2.1 基于AGPS的室外定位系統(tǒng)

GPS定位系統(tǒng)因?yàn)槎ㄎ坏母呔群蜏?zhǔn)確度，應(yīng)用廣等優(yōu)勢受到了很多研發(fā)者和使用者的注意，尤其在GPS定位系統(tǒng)更加普遍地成為民用定位后，當(dāng)然它的缺陷也十分明顯，第一點(diǎn)是GPS發(fā)射和接受的信號穿透力差，很容易受到各種客觀因素的影響和干擾，比如建筑物，樹木等等物體的阻擋，從而使定位的精度和準(zhǔn)確度受到干擾：第二點(diǎn)是GPS系統(tǒng)的硬件初始化問題，它的首次搜索衛(wèi)星時間相比其他更長，一般情況下都需要幾分鐘甚至十幾分鐘。而輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)又稱為AGPS的出現(xiàn)非常成功地解決或者說是處理了這兩個問題。AGPS通過利用手機(jī)基地站資訊，加上與GPS衛(wèi)星通過網(wǎng)絡(luò)輔助的配合，發(fā)揮了作用，有效地緩解了問題。

2.1.1 AGPS的概念及其工作原理

AGPS技術(shù)通過利用從網(wǎng)絡(luò)所建立的基站中獲取的信息和全球定位系統(tǒng)信息從而對移動臺進(jìn)行信息定位，可以使用于GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000網(wǎng)絡(luò)中。使用AGPS技術(shù)需要在手機(jī)內(nèi)添加一個GPS接收模塊，還需要對手機(jī)的天線進(jìn)行改造，在移動網(wǎng)絡(luò)上還需要建立位置服務(wù)器和差分GPS基準(zhǔn)站等裝置。其具體的工作原理描述如下步驟：（1）首先手機(jī)將AGPS定位模塊的基站位置信息發(fā)送給位置服務(wù)器。（2）位置服務(wù)器根據(jù)得到的手機(jī)的大概位置將GPS的輔助信息傳輸給手機(jī)。（3）手機(jī)根據(jù)AGPS

模塊（可以提高GPS信號的第一鎖定時間能力）接受到的GPS的輔助信息開始接收GPS的原始信號。（4）接收到

GPS的原始信號后，手機(jī)通過對此信號解調(diào)和計算得出它到衛(wèi)星的偽距，然后將得到的相關(guān)信息發(fā)送到位置服務(wù)器。（5）通過處理接收到的GPS偽距信息和其他定位設(shè)備傳送的輔助信息，位置服務(wù)器經(jīng)過計算大概得出該手機(jī)的位置。（6）位置服務(wù)器將該手機(jī)的位置信息發(fā)送到相應(yīng)的應(yīng)用平臺上。

通過上面所講的工作方式，AGPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在能夠使定位精度更加的準(zhǔn)確和有效，AGPS定位可以說是目前定位準(zhǔn)確度和有效性最高的一種定位技術(shù)。

2.1.2 AGPS定位的計算方法

在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)位置計算所在端的不同，AGPS定位的計算方式可以分為：MS-Assisted方式以及MS-Based方式。以上所述的兩種定位計算方法都是有利有弊的：在MS-Assisted方式中，其優(yōu)點(diǎn)為對終端的要求較低，但是其缺點(diǎn)也很明顯，就是延時較大、不適用于高速行駛情況下的定位等。MS-Based方式相較于MS-Assisted，它的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)以及實(shí)時定位延時?。辉诖朔绞较鹿ぷ?，核心網(wǎng)絡(luò)不用作出任何改進(jìn)，進(jìn)而大幅降低成本。

2.2 寵物定位項(xiàng)圈的硬件設(shè)計

2.2.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

項(xiàng)圈的單元控制系統(tǒng)可分為兩大部分，分別為電源控制單元與通信模塊管理單元。電源控制單元的充電管理芯片為TP4056，可由外插USB或電池充電。芯片可以檢測充電的狀態(tài)，防止出現(xiàn)故障。主控芯片主要由STM32F103C8

T6 MCU進(jìn)行信息獲取，信息處理以及信息傳輸?shù)裙ぷ鞯耐ㄐ拍K管理單元。通信模塊管理單元主要管理AGPS與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及GPS與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過LED顯示不同的顏色向使用者提示電池的電量。而通過ZigBee通信模塊，若干個待定位的盲節(jié)點(diǎn)和一個已知位置的參考節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，每個微小的盲節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

2.2.2 GSM通信模塊

GSM通信模塊主要由四大部分組成，分別是對接受或發(fā)射的基帶信號進(jìn)行解碼的基帶芯片、產(chǎn)生特定頻率驅(qū)動代碼發(fā)送的射頻芯片、存儲器、功率放大器等器件。在本文里應(yīng)用其通信功能，用于固定信息的無線傳輸處理，而且能夠達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸。

3 寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)

3.1.1 ZigBee室內(nèi)定位優(yōu)缺點(diǎn)

通過本文上部分對AGPS定位的敘述，我們了解到其在室外等空曠地區(qū)定位時的精度一般可達(dá)約十米以及首次捕獲GPS信號的時間通常只需幾秒。但是AGPS定位也有劣勢的地方：（1）AGPS室內(nèi)定位不精準(zhǔn)的問題目前仍然無法得到解決，同樣必須通過多次網(wǎng)絡(luò)傳輸（最多可達(dá)六次單向傳輸）占用了大量的空中資源同時耗費(fèi)了更多的移動網(wǎng)絡(luò)流量。（2）AGPS的定位系統(tǒng)同時也受天氣的影響，大霧、霧霾以為臺風(fēng)都會使系統(tǒng)的定位不夠準(zhǔn)確有時甚至無法完成數(shù)據(jù)傳輸。（3）設(shè)備必須聯(lián)網(wǎng)才能使用。而且如果在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的范圍內(nèi)AGPS基本失去作用。（4）使用AGPS定位的電子設(shè)備產(chǎn)品耗電量大，對產(chǎn)品的性能要求高。

3.1.2 全景攝像頭

雖然AGPS定位、ZigBee定位、地理圍欄等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對寵物活動范圍的監(jiān)控，但還是不能觀察到寵物的具體行為。為了加深用戶對寵物進(jìn)一步的了解，增加全景攝像頭可觀察寵物的日常行為活動同時對防盜起了一定的幫助。加入全景攝像頭相當(dāng)于對產(chǎn)品增加了視覺效果，這對于產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)又有了一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，傳感器窗口、圖片輸出尺寸大小設(shè)置先不說，串口接受攝像頭的圖像信號就是一大難點(diǎn)，并且只能使用Esp8266wifi串口模塊。需要從wifi接收數(shù)據(jù)，串口輸出，再到串口接收數(shù)據(jù)，wifi輸出。Esp8266的協(xié)議是其中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，另外攝像頭動態(tài)傳輸也是難點(diǎn)之一。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)

本文采用基于AGPS室外定位、ZigBee室內(nèi)定位、GSM模塊、STM32F103MCU、全景攝像頭等多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對寵物全方位定位與行為監(jiān)控，收集的信息可供寵物行為語義分析研究。AGPS與ZigBee的高精度定位技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了對寵物室內(nèi)外定位，用戶可以隨時通過手機(jī)應(yīng)用APP獲取寵物當(dāng)前的位置，起到寵物安全監(jiān)督和寵物防盜的作用。追加基于高德地圖的地理圍欄，用戶可以通過手機(jī)應(yīng)用APP為寵物設(shè)定一個監(jiān)控范圍。此外，通過全景攝像頭還可以實(shí)現(xiàn)對寵物的時時監(jiān)控并對其活動和行為進(jìn)行相關(guān)記錄。

4 研究工作的展望

本文的研究重點(diǎn)是定位與監(jiān)控，但是其定位算法是建立在二維平面上展開，所以未來的研究工作可以向三維方面進(jìn)行發(fā)展。雖然二維向三維過渡會遇到各種難題，但是克服這些難題可以使定位系統(tǒng)上升到全新的高度。

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