GPS定位智能夜行傘*

陳裕桂，羅 靜，宋 艷，鄭娜娜，趙承鑫

（荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北荊門 448000）

0 引言

隨著科技發(fā)展的浪潮愈發(fā)猛烈，各式各樣的科技產(chǎn)品出現(xiàn)在大眾眼前，互聯(lián)網(wǎng)搭建起的微型虛擬社會(huì)也日益興起。人們?cè)谔摂M網(wǎng)絡(luò)上獲取大量碎片信息，擴(kuò)大了自身的知識(shí)儲(chǔ)備，以一定的高度對(duì)當(dāng)今科技發(fā)展提出了更多的要求。智能雨傘是在互聯(lián)網(wǎng)的影響之下物聯(lián)化體現(xiàn)。近年來，隨著人們的生活水平的提高，科學(xué)技術(shù)的提高和人們對(duì)這個(gè)面部的這個(gè)年輕化的重視，防曬提到了越來越高的重視的程度，此時(shí)雨傘不僅一直是人們?cè)谟晏斐鲂袝r(shí)最常用來遮風(fēng)擋雨的器具，還成為了硬防曬工具中的主力軍。然而，關(guān)于雨傘一直存在如下幾個(gè)問題，例如，一部分人在雨雪天氣總忘記攜帶雨傘；夜間行路左手持傘，右手照明極其不便；收起雨傘造成地面積水，以致發(fā)生滑倒、絆倒等意外[1]。本文為切實(shí)解決上述問題，研究一種基于GPS的智能夜行傘。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能雨傘的研究現(xiàn)狀主要有4 點(diǎn)：一是“天氣預(yù)測(cè)”[2]，即App 會(huì)根據(jù)用戶所設(shè)定的地點(diǎn)自動(dòng)定位，給出天氣預(yù)測(cè)；二是“GPS定位”[3]，即雨傘與手機(jī)相距大于10 m，手機(jī)就能收到鈴聲提示；三是“環(huán)境感知”[4]，即雨傘功能可以隨周邊環(huán)境的變化而變化；四是“智能懸浮”[5]，即解放雙手，使雨傘懸浮在空中，造福懶人。本文取其第二點(diǎn)“GPS 定位”為出發(fā)點(diǎn)展開研究，加上“夜行”和“速干”兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，從機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面來研制一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPS 定位功能、加裝手電筒、更換高密度傘布的一種方便夜間雨天出行的智能雨傘。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括甩水結(jié)構(gòu)、光感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使雨傘可以一鍵甩干和照明，在使用雨傘時(shí)能夠擺脫地面積水，方便雨夜行路?？刂葡到y(tǒng)即定位結(jié)構(gòu)，其包括了NEO-6/7M GPS 模塊、單片機(jī)STC89C52 設(shè)計(jì)組成模塊，通過模塊組成的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雨傘防丟功能。

本文希望解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是如何利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPS 定位功能；二是如何調(diào)試GPS 裝置的靈敏度。預(yù)期的結(jié)果是設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提出的GPS定位智能夜行傘主要由電源模塊、顯示模塊、復(fù)位電路模塊和定位控制模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)定位、速干、夜行等功能。

1.1 系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通雨傘的功能是供人遮陽避雨，傘面是傘部件中最重要的部分，承擔(dān)遮雨的重要責(zé)任，傘骨撐開傘面，傘柄支撐全傘并結(jié)合傘把手與人形成一體。傘把是人撐傘時(shí)手握的部位，其相比于傘面?zhèn)愎堑目筛膭?dòng)的空間較大?？梢钥紤]在傘把中加入可實(shí)現(xiàn)、可操作的功能器件，以達(dá)到設(shè)計(jì)期望。

本系統(tǒng)在傘把內(nèi)部加入NEO-6/7M GPS 模塊、單片機(jī)STC89C52 和LCD12864 設(shè)計(jì)組成模塊以實(shí)現(xiàn)雨傘的定位功能；加入電源模塊以實(shí)現(xiàn)雨傘的光照夜行功能；傘桿內(nèi)部模塊由移動(dòng)開關(guān)、鋼絲繩、上下軸承、齒輪和傳動(dòng)鏈組成，實(shí)現(xiàn)雨傘的一鍵開傘功能。考慮到傘把內(nèi)部空間小，無法容納大量模塊，將傘把部分加寬加長(zhǎng)形成方形傘把，不僅在外觀設(shè)計(jì)上獨(dú)特且時(shí)尚，又可以使傘把承載大量模塊，具體設(shè)計(jì)如圖1 所示。傘把和傘座的內(nèi)表面覆蓋一層隔絕膜，可以防止雨水浸入，損害內(nèi)部模塊。

圖1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件電路模塊設(shè)計(jì)

首先介紹夜行功能模塊，其中包含電源模塊、彈簧、聚焦反射鏡等形成一個(gè)照明系統(tǒng)。定位功能內(nèi)部模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口通信電路、GPS接收模塊[6]、LCD12864 顯示電路6 個(gè)部分組成。電源電路為系統(tǒng)提供電源，復(fù)位電路用于單片機(jī)的初始化操作，時(shí)鐘電路是單片機(jī)工作在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖。GPS 接收模塊由GPS 接收電路和GPS 接收天線組成。GPS 接收機(jī)用于接收GPS 衛(wèi)星信號(hào)，并將接收到的信息通過串口通信方式發(fā)送到單片機(jī)中。單片機(jī)通過軟件程序?qū)邮盏降腉PS定位信息進(jìn)行計(jì)算解析，并將解析的結(jié)果通過LCD12864 顯示，由此達(dá)到定位作用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2.2 軟件編程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示，工作流程圖主要描述定位功能和夜行功能兩個(gè)部分。各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)不同功能，系統(tǒng)初始化按鍵按下后，軟件開始初始化運(yùn)行，系統(tǒng)開始初步實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能。定位按鍵被按下后，系統(tǒng)開始讀取雨傘停留點(diǎn)處的經(jīng)緯度，讀取成功后便可獲取GPS 數(shù)據(jù)。判斷語句對(duì)所獲得GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，判斷GPS數(shù)據(jù)檢測(cè)是否超出了規(guī)定次數(shù)以及GPS數(shù)據(jù)是否為準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)無誤，再將對(duì)照所得數(shù)據(jù)和設(shè)置好的停留點(diǎn)經(jīng)緯度，將兩點(diǎn)位置進(jìn)行比較后，計(jì)算角度，點(diǎn)陣動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)陣方向，若數(shù)據(jù)存在誤差，點(diǎn)陣將提示“獲取信息失敗”，再次獲取并判斷一輪數(shù)據(jù)；手電開關(guān)按鍵被按下后，系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單判別，實(shí)現(xiàn)燈亮或燈滅的操作。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 GPS定位

GPS 定位[7]是一門用于對(duì)一些設(shè)備和人、車、寵物等移動(dòng)的物體進(jìn)行遠(yuǎn)距離在線定位監(jiān)控的技術(shù)。GPS 定位是結(jié)合了無線通信技術(shù)、GPS 技術(shù)[8]、圖像處理技術(shù)及GIS 技術(shù)中的定位技術(shù)，GPS 監(jiān)控中心能夠全天候24 小時(shí)監(jiān)控所有被控雨傘的實(shí)時(shí)位置、前進(jìn)方向和前進(jìn)速度，以便最及時(shí)地掌握被控雨傘的實(shí)時(shí)狀況[9]。GPS 的空間分布是由24 顆GPS 工作衛(wèi)星所組成，這些GPS 工作衛(wèi)星共同組成了GPS 衛(wèi)星星座，其中21 顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6 個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12 恒星時(shí)。每顆GPS 工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。GPS 用戶正是利用這些信號(hào)來進(jìn)行工作的。定位結(jié)構(gòu)主要包含NEO-6/7M GPS 模塊，模塊加裝于傘柄底蓋部位，不影響用戶日常使用。本系統(tǒng)的MCU 和定位功能是利用STC89C52RC 單片機(jī)[10]實(shí)現(xiàn)的，LM7805 三端穩(wěn)壓芯片被用來將電源電池電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V 的電壓，提供給單片機(jī)供電。GPS 模塊接收到數(shù)據(jù)后傳輸給STC89C52單片機(jī)，STC89C52單片機(jī)處理后將采集到的信息實(shí)時(shí)顯示到LCD12864 顯示屏上。下載電路與串口p3.0相連接。在程序燒錄軟件中下載與應(yīng)用相關(guān)的程序后，目標(biāo)芯片上電，單片機(jī)與設(shè)備成功握手后，按下相關(guān)按鈕，開始定位并在LED顯示屏上顯示對(duì)應(yīng)信息，如實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、設(shè)置停留點(diǎn)、提示等[11-12]。

2.2 夜行

該功能選用工作電壓為3 V 的LED 燈膽，2 節(jié)7 號(hào)干電池做電源。燈體加裝在雨傘傘柄尾部。

本系統(tǒng)雨傘手柄區(qū)別于傳統(tǒng)的自動(dòng)按鈕手柄，全新自動(dòng)手柄添加了夜晚照路功能，大大方便了用戶夜間出行。傘柄與電源部分用螺紋相連接，以便更換電池。螺紋末端加置橡膠圈，防止雨水滲入。LED 燈的燈罩采用有機(jī)玻璃，有效提升防水功能。

2.3 速干

該功能采用高密度優(yōu)質(zhì)傘布-尼龍布、疏水性傘面材料、碳鋼骨架等工藝結(jié)構(gòu)。尼龍布布質(zhì)較輕，手感柔軟，表面反光，冷漲熱縮能力一般，適用于直身或折身雨傘。雨傘結(jié)構(gòu)整體作用以提高雨傘安全耐用性，雨水在傘布上形成水珠，進(jìn)而在進(jìn)入室內(nèi)前雨傘可實(shí)現(xiàn)一鍵甩干功能，地面積水大幅度減少，減少打掃工作。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 定位功能測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，到達(dá)指定位置（如“南一門”）時(shí)，按下P1.1對(duì)應(yīng)按鍵，LED 顯示屏顯示“獲取經(jīng)緯度”、“南一門，到了”，系統(tǒng)開始檢測(cè)是否超出檢測(cè)次數(shù)，本次檢測(cè)結(jié)束后，再檢測(cè)所得數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，最后檢測(cè)指定位置停留點(diǎn)與當(dāng)前位置經(jīng)緯度并判斷是否到達(dá)停留點(diǎn)。系統(tǒng)一輪檢測(cè)結(jié)束后，若定位成功，則顯示對(duì)應(yīng)點(diǎn)的具體經(jīng)緯度；若定位失敗，則不顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。定位功能測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 定位功能測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 夜行與速干功能測(cè)試

在雨雪天下午18：00、晚間20：00、晚間22：00、凌晨00：00，在戶外正常光照處使用本傘，打開夜行燈設(shè)計(jì)，觀察其光照范圍、光照距離以及電子器件防水情況。經(jīng)測(cè)試，隨時(shí)間推移，光照范圍逐漸減小、光照距離逐漸降低、電子器件防水情況良好。夜行與速干功能測(cè)試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 夜行與速干功能測(cè)試數(shù)據(jù)

在雨傘上均勻噴灑自來水，自動(dòng)開合雨傘觀察其甩水情況。經(jīng)測(cè)試，自動(dòng)開合后，可甩去大部分水，并不能完全甩干傘面水分。

經(jīng)過測(cè)試數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計(jì)各方面指標(biāo)均能夠達(dá)到要求，說明設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，功能可實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是在雨傘傘柄把手處添加由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的GPS定位器，有了定位器，便可以輕松實(shí)現(xiàn)雨傘防丟的功能。以及將普通把手改裝為手電筒把手，雨夜間出行天黑路滑，雨傘自帶發(fā)光功能，照見周邊路況，有效降低出行風(fēng)險(xiǎn)。高密度優(yōu)質(zhì)傘布，疏水性傘面材料，碳鋼骨架等工藝結(jié)構(gòu)提高雨傘安全耐用性，雨水在傘布上形成水珠。進(jìn)入室內(nèi)前一鍵甩干，地面積水大幅度減少，降低打掃力度。基于這種雨傘，用戶只需花費(fèi)較低的費(fèi)用便可享受高效、便捷的智能化功能，不僅大大提高了人們的生活質(zhì)量，還順應(yīng)了科技發(fā)展的浪潮，故本項(xiàng)目具有理論研究意義和可應(yīng)用價(jià)值。