基于STM32兒童定位服的設計

王樂樂 劉茜 朱江

摘要：設計的定位服是基于現(xiàn)在的兒童走失或被拐的社會背景、研究現(xiàn)狀和研究意義的基礎(chǔ)上。本設計是基于STM32單片機的雙重定位服，用戶可實時查看人所在位置以及運動狀態(tài)，在設定的條件下有權(quán)限對人進行追蹤。定位服主要由以下幾部分模塊組成：感知層、控制層、網(wǎng)絡傳輸層。定位服的服務器采用Centos騰訊云服務器。硬件開發(fā)平臺使用KeilMDK5集成開發(fā)環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 定位服; 遠程監(jiān)控; GPS定位; 基站定位

【Abstract】 The design of positioning clothing is based on the social background， research status and significance of the children who have been lost or abducted. This design is a dual positioning clothing based on the STM32 single-chip microcomputer. The user can view the person's location and movement status in real time， and has the authority to track the person under the set conditions. The positioning service is mainly composed of the following modules： perception layer， control layer， and network transmission layer. The positioning server uses Centos Tencent Cloud Server. The hardware development platform uses KeilMDK5 integrated development environment.

【Key words】 ?positioning clothes; remote monitoring; GPS positioning; base station positioning

0 引 言

眾所周知，兒童年齡小，辨別能力和認識事物的能力普遍較差，如果一個人在室外的話則容易走丟，而如何找回走失兒童則已成為一個重要問題[1]。僅僅憑借有限的安全教育往往很難解決實際問題，因此安全教育一定要和智能技術(shù)、手段結(jié)合在一起，家長最好要能夠及時獲知兒童在室外所處的位置，并隨時了解兒童的活動狀態(tài)，這樣才能夠提高兒童活動的安全性，有效防止兒童出現(xiàn)走失的現(xiàn)象。研究指出，如果可以將這種智能化的信息定位技術(shù)的元件安裝在孩子的服裝上，那么就能夠開發(fā)出新的兒童服飾。本文主要探討智能定位功能在服裝設計中的應用。

1 特色與創(chuàng)新

1.1 功能特色

通過對定位服的設計，實現(xiàn)了位置信息數(shù)據(jù)和兒童運動狀態(tài)的實時采集、傳輸、存儲和信息的發(fā)布，為用戶提供便利。關(guān)于本項目設計的定位服特色，可做整體闡述如下。

（1）本系統(tǒng)使用騰訊云服務器，CentOs系統(tǒng)，公網(wǎng)IP地址，學生價位，費用較低，運行穩(wěn)定，適合長期租賃使用。

（2）工作節(jié)點使用了GPS定位，GPS定位技術(shù)運用成熟廣泛，方便發(fā)布地理位置，傳送經(jīng)緯度信息。

（3）使用了GPRS與服務器通信，2.5 G基站覆蓋面廣且信號強，費用低，封裝有協(xié)議棧。

（4）網(wǎng)關(guān)控制選用了STM32F103ZE63芯片作為MCU，該芯片超低功耗低，性能穩(wěn)定，運算速度快，片內(nèi)資源豐富，中斷源較多，擁有方便高效的開發(fā)環(huán)境，使用相當靈活。

1.2 項目創(chuàng)新概述

本項目系統(tǒng)使用成本較低，單片機擴展GPS和GPRS模塊技術(shù)應用廣泛成熟，開發(fā)風險低;其次，對傳統(tǒng)單一定位服裝進行信息化改造，可對信號不好區(qū)域?qū)崟r定位，實時掌握兒童情況;再者，本項目使用百度地圖開放平臺，通過接口接入，可以實時以圖形化形式顯示兒童的位置，直觀便捷;另外，使用基于騰訊云的平臺搭建LAMP服務器，設計數(shù)據(jù)存儲與提供服務，安全穩(wěn)定，費用低。

2 系統(tǒng)分析

2.1 全系統(tǒng)架構(gòu)

整個定位服系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要分為硬件和軟件兩大部分。其中，客戶端界面采用Mockplus設計，服務器服務程序采用基于PHP語言的高性能框架WorkerMan來開發(fā)，定位服硬件底層程序基于C語言，使用Keiluvison4平臺開發(fā)。

定位服的主控系統(tǒng)擬采用低功耗單片機STM32F103ZE63設計。位置信息采用GPS模塊或GPRS模塊采集，研究選用的是市面上已經(jīng)成熟的GPS和GPRS集成芯片USR-GM3P，通過串口與單片機進行通信。單片機系統(tǒng)通過擴展的、USR-GM3P模塊與服務器通信，當與服務器建立長連接后可實時上傳位置和開關(guān)狀態(tài)等信息?？蛻舳讼到y(tǒng)擬采用百度地圖開放接口來進行圖形化顯示。

2.2 系統(tǒng)終端軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊?？紤]到GPS比GSM定位準確，研究定位時以GPS定位為主、以GSM定位為輔。定位服終端處在GPS盲點區(qū)域（如車庫、林蔭道等）無法定位時利用GSM進行定位。主程序流程如圖2所示。

主要是完成開機上電后對MCU、液晶顯示模塊、AC120OEM板的初始化工作。對于MCU要設置其串口工作模式、中斷工作模式和波特率;對于液晶顯示模塊要設置開機畫面和顯示模式;對于AC120OEM板需要設置波特率成功完成串口通訊。

2.3 模塊交互分析與數(shù)據(jù)格式設計

模塊交互分析如圖3所示。本設計從下到上分為硬件模塊、服務器部分和客戶端部分。硬件交互主要有：傳感模塊與STM32F103ZE63之間的交互、聯(lián)網(wǎng)模塊與單片機之間的交互和通信模塊與單片機的交互[2]。

為了規(guī)范通信格式，使各模塊與單片機命令和通訊合理有序。研究中設計了相應的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式字段分為頭、分隔符、定位命令、結(jié)束符等等。每一條信息或命令都有唯一的標志頭，這是為了嚴格區(qū)分開來，如使用重復的幀頭，則會給單片機或接收服務器接收帶來不必要的麻煩，可能會造成混亂;每一條也都有結(jié)束符，該結(jié)束符為前面所有字符的ASCLL碼異或值。而數(shù)據(jù)格式也主要分為2部分，即：單片機接收來自服務器的信息和服務器接收來自單片機的信息。具體數(shù)據(jù)格式設計見表1～表5。

2.4 硬件端模塊設計分析

硬件端模塊設計如圖4所示。整個硬件端模塊主要分為5個部分：時鐘模塊、USR-GM3P模塊（細分為GPS和GPRS模塊）、數(shù)據(jù)處理模塊以及本機通信模塊。對此可做闡釋分述如下。

（1）時鐘模塊。主要為單片機提供精準的時鐘服務，為各節(jié)拍處理提供時鐘信號，包括定時器服務和延時服務。

（2）GPS模塊。提供定位服務，一上電就開啟定位功能，此后以心跳包的方式每隔30 s向單片機串口發(fā)送一次推薦定位信息幀，之后由單片機按規(guī)定格式進行封裝與解析。

（3）GPRS模塊。提供與服務器的通信服務，模塊上電后，第一時間嘗試與服務器的TCP連接，此后便可以接收來自服務器的各種指令或?qū)纹瑱C所采集相關(guān)信息上傳至服務器[3];另外，在GPS定位失敗的情況下，可以用查詢的方式獲取基站定位，以彌補位置信息空白。

（4）數(shù)據(jù)處理模塊。主要是負責處理從GPS-OEM板接收的數(shù)據(jù)、從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。AC120OEM板的輸出語句的新頻率為1 Hz，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，提高MCU的利用率，采用中斷方式接收而非查詢方式[4]。

（5）通信模塊。主要是處理鍵盤輸入和顯示模塊操作。在GPS-OEM板的初始化配置過程中，需要根據(jù)實際需求配置OEM板的語句設置，另外還將完成MCU與液晶模塊之間的數(shù)據(jù)通信和處理。

3 功能設計

系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。硬件系統(tǒng)主要有STM32F103ZE63單片機、GPS、GPRS、液晶顯示模塊、人服對話模塊、串口通信部分及電源部分等。這里擬展開研究論述如下。

3.1 信息感知功能設計

3.1.1 位置信息感知

系統(tǒng)使用USR-GM3P模塊來感知位置信息，實現(xiàn)GPS定位、導航與授時。GPS定位信息類型分為GPGSV（可見衛(wèi)星信息）、GPGLL（地理定位信息）、GPRMC（推薦最小定位信息）等，本產(chǎn)品選用的USR-GM3P的GPS返回信息類型為GPRMC推薦最小定位信息，這是目前使用最為廣泛的GPS定位信息類型，直觀簡潔，解析起來也較為容易。

一旦啟用GPS功能之后，GPRMC信息就會每隔30 s被采集到并反饋到單片機通信的串口，單片機接收之后為了數(shù)據(jù)簡潔明了，單片機中斷處理只解析整個GPRMC信息的第二字段的定位狀態(tài)信息[4]、第三字段的緯度信息以及第五字段的經(jīng)度信息，信息解析完畢后封裝成幀再通過串口發(fā)送，由GPRS模塊上傳至服務器。

3.1.2 基站定位信息感知

USR-GM3P支持LBS查詢指令的基站定位功能，無論是哪家運營商的手機卡都可以通過相應網(wǎng)絡獲取到USR-GM3P的大體位置，定位精度一般在100 m左右，用來彌補GPS定位受天氣、高樓、位置等等影響。基站定位信息是通過AT指令獲取，本設計使用串口AT指令進行查詢，即在需要時從網(wǎng)絡透傳模式切換到指令模式，然后單片機向串口發(fā)送AT+LBS？查詢命令，USR-GM3P獲取后，隨即做出反饋。查詢基站定位指令為AT+LBS，返回值為+LBS：LAC=00000，CID=00000。

其中LocationAreaCode（LAC）為地區(qū)區(qū)域碼，也就是用來劃分SIM卡彼時所在區(qū)域的;CellTowerID（CID）CellID則代表移動基站。LAC碼、CID碼是基站定位的必要參數(shù)，這兩者缺一不可，否則不能進行基站定位。

當研究獲取到查詢的地區(qū)區(qū)域碼與移動基站代碼后，只要使用獲取的數(shù)據(jù)就可以去相應的網(wǎng)站換算對應的地理位置坐標，本次仿真實驗的結(jié)果為：LAC=21069，CID=35697，此后進入http：//www.gpsspg.com/bs.htm網(wǎng)址進行對應的換算。文中研究得到的查詢定位結(jié)果如圖6所示。

與GPS傳輸定位信息類似，基站定位信息被單片機獲取過后經(jīng)封裝，再由GPRS發(fā)送至上位機，只是具體位置解析將由上位機來運行完成。

3.1.3 網(wǎng)絡透傳模式

網(wǎng)絡透傳模式如圖7所示。USR-GM3P支持網(wǎng)絡透傳模式，在此模式下，模塊可以使能Socket，與服務器建立起TCP長連接，就可以實現(xiàn)通信功能，解決了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲問題。透傳即意味著終端設備往串口設備寫入什么數(shù)據(jù)，GM3P就原封不動上傳什么數(shù)據(jù)打包發(fā)送給服務器，不需要其他的加工轉(zhuǎn)換，使用起來相當方便。該模塊也可以接受來自服務器的下發(fā)的數(shù)據(jù)，并會將信息轉(zhuǎn)發(fā)至單片機的串口設備，由終端設備選擇接收解析和執(zhí)行。在實際使用中，還發(fā)現(xiàn)USR-GM3P模塊會自動保存上一次的設置信息，斷電再上電或復位后就無需重新設置成網(wǎng)絡透傳模式，因此只需要進行一次設置即可。指令設置與解釋詳見如下。

（1）設置工作模式為網(wǎng)絡透傳模式。即：

AT+WKMOD=”NET”

（2）使能socketA。即：

AT+SOCKAEN=”on”

（3）設置socketA為TCP客戶端，本文的服務器地址為123.206.116.81，服務器映射端口號為2345。即：

AT+SOCKA=”TCP”，”123.206.116.81”，2345

（4）發(fā)送保存指令，發(fā)送之后模塊會自動保存和重啟。即：

AT+S

3.2 GPRS設計與傳輸數(shù)據(jù)

通用無線分組業(yè)務（General Packet Radio System，GPRS），因為介于2代與3代之間，是通常俗稱的2.5G。在GPRS前提下，用戶可以在很短的時間內(nèi)縮短呼叫建立時間，“永遠在線”的狀態(tài)幾乎可以做到。使用GPRS聯(lián)網(wǎng)通訊時，前后分為3個階段，也就是：GPRS附著階段、PDP上下文激活階段和WAP應用的接入階段。選用GPRS通訊而不使用4G通訊的原因在于[5]，首先4G信號基站在某些偏遠地區(qū)信號未能覆蓋，而2.5G信號基站已經(jīng)推廣多年，覆蓋率很高，基本不會出現(xiàn)掉線情況;其次，就是本項目設計數(shù)據(jù)傳輸量并不是很大，2.5G足以擔負數(shù)據(jù)傳輸任務;還有就是相對而言2.5G與4G相比，費用相當便宜。該模塊所使用的USR-GM3P是有人物聯(lián)網(wǎng)推出的GPRS產(chǎn)品[6]，用戶只需要通過參考手冊進行簡單的設置便可輕易實現(xiàn)GPRS聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸，應用場景多，使用十分靈活。GPRS模塊通訊過程如圖8所示。

3.3 電路原理設計

（1）原理圖簡述。硬件電路原理如圖9所示。電路分模塊設計，主要有供電模塊、升壓模塊、降壓[CM（22]模塊、串口模塊、SIM卡模塊、USR-GM3P模塊[7]，為系統(tǒng)提供通信與電力，確保系統(tǒng)能夠正常運轉(zhuǎn)。

（2）主要功能描述。USR-GM3P模塊是核心，該模塊集成GPS定位功能與GPRS功能，通過簡單的配置輔以指令設置達到與服務器通信并且實時定位的目的，在實際測試中發(fā)現(xiàn)該模塊某些功能可以脫離單片機獨立運行，只要使用前對其進行設置，例如配置成網(wǎng)絡透傳模式和心跳包，供電后將會自動與服務器建立TCP連接，并且按設置的時間定時發(fā)送已設置的心跳包內(nèi)容，換言之就是僅需一次配置后即無需每次由單片機發(fā)送指令進行配置，這也減少了進入臨時指令模式的次數(shù)，從而可以減輕單片機的負擔以及提高穩(wěn)定性。

與此同時，系統(tǒng)由7.4 V電源供電，但是電磁鎖需要12 V左右的電壓脈沖方可將鎖打開，電壓大于這個范圍則會燒壞電磁鎖，電壓過低會導致開鎖失敗。因此選用高效率的SX1308升壓芯片，具體是通過調(diào)整反饋分壓電阻來確保輸出電壓達到12 V左右，輸出電壓公式為：

Vout=Vref*（1+R3/R2）.[JY]（1）

此外，還有降壓模塊將7.4 V降到3 V左右供單片機和USR-GM3P以及SIM卡等使用，限于篇幅，本文不做過多闡述。

3.4 單片機程序處理流程設計

單片機程序處理流程如圖10所示。首先，模塊供電以后，單片機時鐘啟動，定時器、串口等設備初始化，與此同時USR-GM3P主動嘗試與服務器建立TCP連接，連接失敗則嘗試重新連接，直到連接成功為止。連接后，模塊其余部分初始化也已經(jīng)完成。單片機此時向上位機發(fā)送該鎖具獨有的編號信息，編號信息只發(fā)一次即可。隨即，單片機向串口發(fā)送指定命令，USR-GM3P接收后將進入臨時指令模式，網(wǎng)絡透傳模式掛起，再啟動GPS定位功能，延時3 s左右立即返回透傳模式。此后每隔30 s USR-GM3P就會將采集到GPRMC推薦定位信息幀向單片機串口寫入，由單片機接收后解析并封裝上傳;在因為特定原因?qū)е翯PS定位失敗的情況下，單片機控制USR-GM3P切換到指令模式，以查詢的方式獲取基站定位信息，由單片機解析封裝后經(jīng)透傳模式上傳。在接收到來自服務器指令時，單片機解析完成后，依據(jù)不同的操作指令執(zhí)行相應的操作，每次操作結(jié)束后，單片機向上反饋該執(zhí)行結(jié)果。

4 結(jié)束語

在將智能定位巧妙地運用于兒童服裝設計的過程中，服裝作為整個造型設計的載體，再加入元件進行定位和補充。兒童穿上這種衣服，家長可以隨時知道兒童活動情況和所在的具體位置，并有效地消除外界的環(huán)境對兒童造成的各類傷害，同時也能夠有效防止兒童走失這一情況的發(fā)生。由于GPS定位準確，GSM網(wǎng)絡覆蓋廣、無盲點，故該終端首選使用GPS定位，當GPS無法定位時，啟動GSM網(wǎng)絡定位對服裝終端進行定位，可克服單純GPS定位或GSM定位的缺點，且成本較低。實踐證明，本定位終端可以在城市高樓區(qū)、林蔭道、車庫內(nèi)等因GPS衛(wèi)星信號丟失而無法定位的地方啟用GSM網(wǎng)絡定位，從而提高定位的穩(wěn)定性。這是一個能提供實時、準確、交互信息的系統(tǒng)，基本可實現(xiàn)準確且無盲點的定位，保障定位的效果。

參考文獻

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