基于GPS和LBS定位的兒童追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘嬌嬌　范祥祥　葉永興　陳釗慶

摘 要：針對(duì)兒童被拐和丟失問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一套基于GPS和LBS定位的兒童追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括定位裝置、云端服務(wù)器、手機(jī)客戶端三個(gè)部分。通過(guò)獲取和分析定位裝置的位置、速度、電量、摘除等信息判定兒童活動(dòng)是否存在異常，如果有異常情況，系統(tǒng)將主動(dòng)向手機(jī)端發(fā)送報(bào)警短信。該追蹤系統(tǒng)一定程度上能夠?yàn)閮和峁┌踩Ｕ稀?/p>

關(guān)鍵詞：GPS定位;LBS定位;手機(jī)APP;追蹤系統(tǒng);云端服務(wù)器;短信報(bào)警

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277;TN99文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

目前兒童被拐和失蹤的情況時(shí)有發(fā)生，而兒童一旦被拐找回的概率微乎其微，最主要的問(wèn)題是無(wú)法得知孩子的位置以及去向。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，設(shè)計(jì)一款針對(duì)兒童防拐、防丟失的追蹤系統(tǒng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)已成為可能。

本文提出一套針對(duì)兒童被拐和丟失問(wèn)題的解決方案，該方案利用GPS（衛(wèi)星定位）和LBS（基站定位）雙重定位的方式采集兒童的實(shí)時(shí)位置，并通過(guò)云端服務(wù)器將兒童的位置發(fā)送到家長(zhǎng)手機(jī)上以此來(lái)降低兒童丟失風(fēng)險(xiǎn)的方案。該方案通過(guò)檢測(cè)實(shí)時(shí)速度、位置、電量以及是否被摘除等信息判斷異常，并通過(guò)云服務(wù)器通知家長(zhǎng)。家長(zhǎng)也可以通過(guò)APP查看孩子的位置、設(shè)置速度閾值、設(shè)置電子圍欄（活動(dòng)區(qū)域）和一鍵規(guī)劃最短的搜救路徑，為孩子提供最佳安全保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于用戶手機(jī)不可能一直在線，且用戶手機(jī)和定位端的距離一般相對(duì)較遠(yuǎn)。為解決這些問(wèn)題，定位裝置使用GPRS連接云服務(wù)器，使云服務(wù)器作為中繼器，用作定位端信息接收、處理和保存，并判斷有無(wú)異常，從而通知手機(jī)端用戶。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

定位裝置通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入云端服務(wù)器，手機(jī)端通過(guò)3G/4G通信網(wǎng)接入云端服務(wù)器。工作過(guò)程：定位裝置將采集到的信息發(fā)送到云服務(wù)器，云服務(wù)器對(duì)其進(jìn)行解析、處理、保存并判斷有無(wú)異常，若有異常就通過(guò)短信通知手機(jī)端。手機(jī)端APP從服務(wù)器中讀取定位端的信息，并顯示到手機(jī)電子地圖上，同時(shí)手機(jī)也可以設(shè)置電子圍欄和速度閾值等信息發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將以此為依據(jù)對(duì)定位裝置的異常信息進(jìn)行判斷。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路如圖2所示，定位裝置硬件電路的整體設(shè)計(jì)主要從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、高效性、實(shí)用性、簡(jiǎn)潔性等方面來(lái)考慮。本文采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。該芯片兼容傳統(tǒng)8051指令代碼，但速度比8051快8～

12倍，且價(jià)格低廉，符合本文的需求。

為使定位端滿足低功耗、體積小的需求，本系統(tǒng)中GPRS通信、GPS定位、LBS定位、電池電量信息的獲取均通過(guò)安信可A9G模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊還集成了完整的TCP/IP協(xié)議棧，其中，GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最大下載速率和上傳速率分別為85.6 Kb/s和42.8 Kb/s，符合本文在通信速率上的要求。利用該模塊的LBS定位功能可以使定位端在沒(méi)有GPS信號(hào)的地方利用基站定位，從而增強(qiáng)該裝置的定位功能。

防摘除裝置使用一個(gè)接插件，如圖2中器件P1所示，一端連接單片機(jī)引腳，另一端連接電源負(fù)極，當(dāng)接插件斷開(kāi)時(shí)單片機(jī)檢測(cè)不到低電平，即裝置被摘除。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 定位裝置

定位裝置工作流程如圖3所示。初始化A9G模塊并連接服務(wù)器，如果服務(wù)器連接失敗就重新連接，直到連接成功。服務(wù)器連接成功之后，主控芯片開(kāi)始讀取各個(gè)部分的信息。

（1）讀取GPS定位信息中的$GPRMC字段信息，該字段包括定位是否成功、定位模塊所在經(jīng)緯度以及速度信息。

（2）讀取模塊LBS定位信息，該信息只包括模塊定位的經(jīng)度和緯度。

（3）讀取接收插件信息，即模塊是否被摘除。

（4）讀取模塊的電量信息。

（5）將采集到的信息發(fā)送到服務(wù)器。

最后程序回到最初，重新對(duì)服務(wù)器連接狀態(tài)進(jìn)行判斷，并不斷重復(fù)以上步驟，讀取和發(fā)送信息。

3.2 云服務(wù)器

云服務(wù)器主要功能為信息的接收、處理、保存和判斷定位端是否異常，并向手機(jī)端發(fā)送報(bào)警短信。在本系統(tǒng)中使用NodeJS編寫(xiě)服務(wù)器程序，并建立TCP服務(wù)器供手機(jī)APP和定位端連接。

云服務(wù)器具體流程如圖4所示，服務(wù)器初始化之后建立TCP服務(wù)器，并建立3個(gè)監(jiān)聽(tīng)線程，分別為連接建立監(jiān)聽(tīng)、連接斷開(kāi)監(jiān)聽(tīng)、接收信息監(jiān)聽(tīng)。

連接建立監(jiān)聽(tīng)只對(duì)手機(jī)APP連接做處理，當(dāng)手機(jī)APP連接時(shí)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的定位端的信息下發(fā)到手機(jī)APP。

連接斷開(kāi)監(jiān)聽(tīng)只對(duì)定位端的連接斷開(kāi)做處理，當(dāng)定位端斷開(kāi)連接時(shí)，向手機(jī)APP發(fā)送報(bào)警短信，提醒用戶服務(wù)器無(wú)法追蹤到定位端。

信息接收監(jiān)聽(tīng)分別對(duì)定位端發(fā)來(lái)的消息和APP發(fā)來(lái)的消息做處理。當(dāng)收到定位端的消息后，先將信息進(jìn)行存儲(chǔ)，然后對(duì)數(shù)據(jù)解析和處理，并判斷是否有異常信息。如果存在異常，服務(wù)器就發(fā)送報(bào)警短信到手機(jī)客戶端。如果是手機(jī)APP發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，先判斷是否為修改電子圍欄指令和修改速度閾值指令，如果是就將要修改的值保存到服務(wù)器，然后在判斷是否為讀取定位端數(shù)據(jù)指令，如果是，就將服務(wù)器保存的定位端的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP。

3.3 手機(jī)端

手機(jī)APP可以在電子地圖上顯示用戶手機(jī)本身的位置和定位端的位置，可以設(shè)置定位端的電子圍欄和速度閾值，以及一鍵規(guī)劃到定位端的最短路徑，其工作流程如圖5所示。

具體流程為，當(dāng)APP啟動(dòng)后連接服務(wù)器，之后創(chuàng)建6個(gè)監(jiān)聽(tīng)線程。

第一個(gè)線程監(jiān)聽(tīng)普通按鈕是否按下。當(dāng)普通按鈕按下時(shí)切換地圖到普通界面，即只顯示用戶和定位端的位置。如圖6（a）所示，1為用戶手機(jī)的位置，2為定位端的位置。

第二個(gè)線程用來(lái)監(jiān)聽(tīng)用戶是否設(shè)置電子圍欄指令。當(dāng)用戶按下圍欄按鈕后地圖切換到圍欄模式，用戶可以拖動(dòng)圍欄的中心和圍欄的邊界，用來(lái)確定電子圍欄的位置和范圍。當(dāng)用戶再次按下圍欄按鈕時(shí)，將會(huì)向服務(wù)器發(fā)送電子圍欄的信息，如圖6（b）所示。

第三個(gè)線程用來(lái)監(jiān)聽(tīng)速度閾值設(shè)置按鈕。當(dāng)用戶按下速度按鈕，彈出速度設(shè)置對(duì)話框。用戶可以輸入設(shè)置的速度，按下確認(rèn)鍵向服務(wù)器發(fā)送速度閾值信息，并關(guān)閉對(duì)話框，如圖6（c）所示。

第四個(gè)線程用來(lái)監(jiān)聽(tīng)路徑規(guī)劃按鈕是否按下。當(dāng)按下路徑規(guī)劃按鈕時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用高德地圖API進(jìn)行路徑規(guī)劃，并顯示到地圖上，如圖6（d）所示。

第五個(gè)線程和第六個(gè)線程配合使用，第六個(gè)線程每3 s向服務(wù)器查詢(xún)一次定位端的信息。當(dāng)服務(wù)器下發(fā)信息時(shí)，由第五個(gè)線程接收處理，并將定位端的信息顯示到地圖上。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一套通過(guò)GPS和LBS定位的兒童追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由定位端、服務(wù)器和手機(jī)端組成。以服務(wù)器作為傳輸中繼，手機(jī)APP可以隨時(shí)登錄服務(wù)器查看定位端的狀態(tài)，還可以設(shè)置電子圍欄、速度閾值等信息。即使手機(jī)APP沒(méi)有登錄服務(wù)器，服務(wù)器也可以自主判斷定位端的狀態(tài)是否發(fā)生異常，如果發(fā)生異?？勺灾飨蛴脩羰謾C(jī)發(fā)送報(bào)警短信，為防止孩子丟失提供最大限度保障。

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作者簡(jiǎn)介：鐘嬌嬌（1997—），女，本科。

范祥祥（1989—），男，博士，講師，研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。