基于物聯(lián)網(wǎng)的戶外人員安全智能輔助便攜設(shè)備的設(shè)計

李鵬威 蘭小方 趙悅

摘 要：為了提高戶外旅游和探險等人員外出的安全性，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的戶外人員安全智能輔助便攜設(shè)備。設(shè)備系統(tǒng)以ARM架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核的ST公司生產(chǎn)的一款芯片型號為STM32F103ZET6的單片機(jī)為控制核心模塊，采用DWM1000射頻模塊的定位系統(tǒng)和以其標(biāo)簽進(jìn)行路徑數(shù)據(jù)采樣并且計算路徑相關(guān)參數(shù)，并通過MPU6050六軸陀螺儀傳感器記錄行程行進(jìn)方位，在TFT-9325電阻版液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示以及地圖顯示。同時系統(tǒng)包括語音識別控制功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);單片機(jī);定位

引言

親臨大自然的戶外旅游和探險運動已逐漸成為了目前人們喜歡的休閑和運動方式^[1]，人們在戶外運動和挑戰(zhàn)自然界的同時，也經(jīng)常會遇到一些如迷路或受天氣環(huán)境等意外險情^[2]。為了提供戶外運動人員的安全保護(hù)措施，利用物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)開發(fā)戶外人員安全所需的隨身設(shè)備已成為人們重點關(guān)注的問題^[3]。

一、方案設(shè)計

本系統(tǒng)的定位原理是將一個DWM1000模塊視為標(biāo)簽， 以其中其他任意兩個模塊視為基準(zhǔn)點，然后把所測量的各個模塊之間的距離帶入標(biāo)簽的運動軌跡方程，便能實時的計算出標(biāo)簽相對于基準(zhǔn)點的位置，并在TFTLCD液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。利用MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊獲得將方位數(shù)據(jù)，發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運算，再將方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個可直接觀察的三角形箭頭，并在液晶顯示屏上動態(tài)顯示。系統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法是通過獲取當(dāng)前所在地圖中的位置坐標(biāo)和MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊所測得的方位以及目的地所在的位置坐標(biāo)來計算出最優(yōu)路徑的。系統(tǒng)又利用語音控制模塊開發(fā)了語音交互功能，增加用戶使用的便捷性。圖1為系統(tǒng)總體方案圖。

二、功能設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的戶外人員安全智能輔助便攜設(shè)備系統(tǒng)包括語音播報模塊、陀螺儀模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、路徑規(guī)劃模塊、定位模塊、地圖顯示模塊、路徑方位指示模塊。本系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃路徑的方式，利用無線通信進(jìn)行二次開發(fā)使其進(jìn)行有效定位為旅游者/探險者的戶外安全提供了更加有效的保障。

1.定位功能：本文利用系統(tǒng)定時器來測量它們在單次通信過程中接收數(shù)據(jù)的時間偏差來計算電磁波在空氣中飛行的時間，為了減少各個模塊之間因為時鐘源的偏差而導(dǎo)致所測電磁波飛行時間出現(xiàn)較大誤差，本文又在模塊與模塊之間多增加了一次通訊，兩次通訊的時間可以互相彌補因為時鐘偏移引入的誤差，此后把所測得的電磁波飛行時間發(fā)送至設(shè)備主控模塊STM32F10ZET6單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計算出各個模塊之間得距離。該功能大大提高了系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確率。

2.方位指示：通過方位顯示能夠給用戶提供更加清楚的方位變化，為用戶的行走提供了高效保障。方位顯示采用了MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊，該模塊將方位數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運算，并把方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個可直接觀察的三角形箭頭，并在TFTLCD液晶顯示屏上顯示出來。

3.路徑規(guī)劃：路徑規(guī)劃算法是通過獲取當(dāng)前所在地圖中的位置坐標(biāo)和MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊所測得的方位以及目的地所在的位置坐標(biāo)來計算出最優(yōu)路徑。通過路徑規(guī)劃用戶可快速的到達(dá)自己所到達(dá)的地方或回到原始點。

4.語音識別：通過語音識別模塊系統(tǒng)可識別出用戶的語音信息，如目的地的名稱等，并以此自動規(guī)劃出一條可行的行進(jìn)路線，然后在TFTLCD液晶屏上實時的顯示出行進(jìn)路線和用戶當(dāng)前所在位置。該功能使用戶的操作更加方便。

5.語音播報：系統(tǒng)通過語音播報模塊可播報當(dāng)前的地理位置、路徑狀態(tài)、環(huán)境溫度等信息，及時提供給外出旅游者或探險者所需的安全信息。系統(tǒng)內(nèi)置DS18B20溫度采集模塊采集當(dāng)前的溫度。

結(jié)論

本系統(tǒng)的設(shè)計能為戶外旅游/探險等人員實時提供路徑、準(zhǔn)確定位方向和環(huán)境溫度等信息，并具有語音交互功能，帶來便捷性的同時也提高了戶外人員的安全保障性。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡占菲，趙穎輝.基于北斗的戶外探險運動遇險應(yīng)急終端的設(shè)計[J].通訊世界，2017（3）：262-263.

[2] 張倩，周宇，吳婷.基于北斗定位技術(shù)的移動健康監(jiān)測系統(tǒng)[J].通訊世界，2016（8）：251-252.

[3] 宋海永. 基于戶外運動的便攜式生命健康系統(tǒng)開發(fā)[D].山東大學(xué)，2014.