基于單片機控制的雙模式兒童防走失系統(tǒng)設(shè)計

魏曉龍，任天平，陳 威

(鄭州大學(xué)，河南 鄭州450000)

據(jù)公安部最新數(shù)據(jù)顯示，近年來我國每年有近20萬兒童失蹤。傳統(tǒng)的兒童防走失系統(tǒng)主要依靠無線電路實現(xiàn)，兒童端有一個信號發(fā)射器，父母端接收此信號并判斷信號強度大小，當(dāng)信號強度小于設(shè)定值時即報警。該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小，顯著缺點是適用距離短，無法判別兒童方向，信號易受干擾。這往往是兒童防走失產(chǎn)品的致命缺點。

本系統(tǒng)采用的方案是根據(jù)GPS信息判斷兒童具體位置并實現(xiàn)報警功能，報警的同時能夠在第一時間向父母提供兒童的準(zhǔn)確位置信息。系統(tǒng)的創(chuàng)新點與技術(shù)突破點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)雙模式工作：當(dāng)沒有移動信號時，可通過無線方式實現(xiàn)點對點通信，不依靠第三方；當(dāng)距離超過1 000 m時又可通過短信息傳遞數(shù)據(jù)，方便可靠；

(2)雙重圖形處理：十字坐標(biāo)顯示響應(yīng)快速直觀，第一時間指明孩子的方位；Google地圖顯示告知孩子的準(zhǔn)確位置，兩種方式一鍵切換；

(3)在Android手機操作系統(tǒng)下開發(fā)了一套完全適用于兒童防走失系統(tǒng)的軟件，可移植性強。

需要注意的是，系統(tǒng)可以工作在兩種傳輸模式下，且能在兩種模式之間自動切換。具體體現(xiàn)在：開機情況下，兒童端設(shè)備默認(rèn)通過無線信號的方式與父母端設(shè)備進行通信，而當(dāng)接收不到信號時，兒童端設(shè)備將會立刻切換到通過短信息的方式與父母端設(shè)備通信。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能

本兒童防走失系統(tǒng)采用子母機形式。其中兒童端為子機，主要用來獲取自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，同時監(jiān)聽父母端發(fā)送過來的指令，并將自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù)返回給父母端設(shè)備；父母端設(shè)備為母機，采用了兩種模式：自主開發(fā)的手持終端模式與智能手機模式，分別通過無線信號和移動網(wǎng)絡(luò)信號進行數(shù)據(jù)傳輸，兩種模式可自動切換。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：(1)防走失報警：當(dāng)孩子與父母之間的距離超過任意設(shè)定的安全值時父母端設(shè)備報警，同時在父母端設(shè)備上自動彈出孩子當(dāng)前的位置信息（以坐標(biāo)信息或Google地圖的形式）；(2)父母主動查看孩子的位置：在父母端手持設(shè)備上主動操作可以獲得孩子的位置信息；(3)孩子主動求助：當(dāng)孩子發(fā)現(xiàn)找不到父母時，可以按下子機的傻瓜式按鍵，父母就收到孩子的求助信號，同時彈出孩子當(dāng)前的位置信息。

2 系統(tǒng)功能單元設(shè)計

2.1 GPS數(shù)據(jù)獲取與分析

GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是新一代的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用人造地球衛(wèi)星確定測站點位置[1]。在本兒童防走失系統(tǒng)中，定位分為兩種：父母手持終端上的定位和智能手機上的定位。

智能手機上的定位主要依靠手機內(nèi)部的GPS芯片完成。由于Google開發(fā)的Android操作系統(tǒng)完全開源，可以獲得其所有API函數(shù)，通過調(diào)用API函數(shù)并編寫相關(guān)代碼，可以啟動手機的GPS硬件，獲得基于位置的服務(wù)。這些服務(wù)當(dāng)中包括查詢手機內(nèi)部存儲的最新位置信息、獲得當(dāng)前位置以及更新當(dāng)前位置信息等。在本文編寫的程序當(dāng)中，使用到了查詢手機內(nèi)部存儲的最新位置信息和更新當(dāng)前位置信息等功能，部分程序代碼如下：

其中LocationManager locationManager=(LocationManager)getSystemService(context)用來添加實例變量來存儲對LocationManager的引用，啟動手機基于位置的服務(wù)，基于位置的服務(wù)的目的是確定設(shè)備的物理位置；Location location=locationManager.getLastKnownLocation(provider)語句通過對實例變量locationManager的引用獲得手機內(nèi)部最新的GPS數(shù)據(jù)，并存儲在location變量中；最后一條語句updateWithNewLocation(location)用來對手機內(nèi)部存儲的GPS數(shù)據(jù)信息進行更新，以獲得最新的位置信息。

在兒童和父母端的手持監(jiān)護終端上分別內(nèi)置了一個GPS信號接收機。由于GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源，對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備(即GPS信號接收機)，就能夠獲取當(dāng)前的位置信息。利用GPS信號接收機將接收到的GPS信號轉(zhuǎn)化為GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并以TTL電平格式輸出，然后由單片機I/O口對其進行讀取并進行進一步的處理。GPS模塊的電源引腳連接到單片機的VCC與GND引腳上，用以給GPS模塊進行供電；GPS模塊的通信引腳連接到單片機的40與41引腳上，也就是單片機的異步串行接口RXD0、TXD0，GPS模塊通過這兩個引腳進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，電平傳輸格式為TTL電平格式。

當(dāng)系統(tǒng)獲得子機與母機的GPS數(shù)據(jù)后，通過一系列算法求得子機與母機之間的實際距離與方位角。具體算法是：由于地球表面無比巨大，將地表看作是一個平面，將地球的經(jīng)度當(dāng)做這個平面的Y坐標(biāo)，將緯度看做是X坐標(biāo)。當(dāng)獲得了子機與母機的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)時，實際上就獲得了它們的橫縱坐標(biāo)，通過勾股定理計算距離，通過三角函數(shù)關(guān)系計算方位角。為求出兩點之間的實際距離與相對角度，首先需要求出其中一點相對于另外一點在經(jīng)度方向上和緯度方向上的距離，也就是兩條直角邊的長度。而這兩條直角邊的長度可以通過兩點之間的經(jīng)度差和緯度差分別乘以兩點相對于地球軸心和地球球心半徑來獲得，當(dāng)獲得了兩條直角邊的長度后，兩點之間的實際距離也就是斜邊的長度。具體的計算過程如下：

其 中 ，α1、α2、β1和 β2分 別 是 兩 點 的 緯 度 值 和 經(jīng) 度 值 ，α為兩點的平均緯度值，OA、R分別為兩點到地球軸心和球心的半徑，AC、BC為兩點在經(jīng)度方向和緯度方向上的距離。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

子機與母機之間的通信可以通過兩種模式進行，分別是GSM短信息傳輸模式與無線信號傳輸模式。相應(yīng)地，為了與母機完成通信，在子機上分別使用了SIM300C GPRS帶協(xié)議模塊與APC240無線模塊。

在父母端的智能手機上開發(fā)了一個兒童防走失系統(tǒng)配套軟件，當(dāng)父母使用手機查詢孩子的位置時，將會發(fā)送一條含查詢指令的短信到子機，子機上的SIM300C模塊接收到短信后會向單片機發(fā)送一條指令，單片機接收到指令后會對短信進行讀取，然后根據(jù)短信內(nèi)容作出相應(yīng)動作。短信發(fā)送程序代碼如下：

其中SmsManager smsManager=SmsManager.getDefault()用來添加一個實例變量來存儲對SmsManager的引用，啟動手機基于短信功能的服務(wù)；smsManager.sendTextMessage(mobile，null，content，null，null)語 句 引 用 SmsManager 下的發(fā)送短信功能來發(fā)送指令，其中括號內(nèi)第一個參數(shù)為要發(fā)送到手機的電話號碼，第三個參數(shù)為發(fā)送的具體內(nèi)容。

兒童手持終端中GSM通信部分電路圖如圖2所示。其中左半部分為通信指示燈部分，右半部分為SIM300C模塊與SIM卡的引腳定義。

當(dāng)父母使用手持終端機時，將通過普通無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。首先由單片機讀取所需的各種信息，包括GPS數(shù)據(jù)信息與指令信息等，再通過其I/O口將數(shù)據(jù)信息傳遞給無線模塊，由無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。圖3所示為兒童端電路板上的無線發(fā)射部分電路圖（左側(cè)僅畫出發(fā)送部分電路使能圖，接收部分未畫出）。由于整個板子上共有三處需要使用到串行接口，分別是無線通信部分、GSM通信部分和GPS數(shù)據(jù)收發(fā)部分，而ATMEGA64單片機只有兩個串行接口，所以將RXD1與TXD1作為了復(fù)用串口，通過使能端EN_A或EN_B來選擇使用無線通信或是GSM通信。

2.3 父母端手機軟件開發(fā)

正如之前所說，在父母端的智能手機上開發(fā)了一個兒童防走失系統(tǒng)配套軟件。父母可以將采用Android操作系統(tǒng)的手機與子機配套使用。Android是一個開源的軟件棧，它包含了操作系統(tǒng)、中間件和關(guān)鍵的應(yīng)用程序，以及一組用于編寫移動應(yīng)用程序的API庫。Android通過提供一個以開源的Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)而構(gòu)建的開放的開發(fā)環(huán)境。通過一系列API庫，所有應(yīng)用程序都可以對硬件進行訪問，并且可以在嚴(yán)格受控的條件下完全支持應(yīng)用程序之間的交互[2]。

當(dāng)父母使用智能手機與子機通信時，將會通過GSM短信息的方式與子機進行數(shù)據(jù)傳輸。利用手機內(nèi)置的GPS芯片獲取自身的GPS數(shù)據(jù)，通過處理子機傳送過來的GPS數(shù)據(jù)與自身的GPS數(shù)據(jù)來判斷孩子是否處于安全范圍以內(nèi)并顯示兩者之間的相對位置關(guān)系，或是采用Google地圖的形式來顯示兩者的具體位置。

手機軟件部分的主要功能有：(1)主動查詢孩子當(dāng)前位置；(2)距離可控定時查詢報警；(3)圖形顯示孩子當(dāng)前位置；(4)修改默認(rèn)號碼等。使用時，首先進入主界面，在主界面上可以完成設(shè)置默認(rèn)號碼、查詢子機位置、設(shè)置自動報警參數(shù)等功能。其中，默認(rèn)號碼一旦設(shè)定成功，以后每次開機或是打開軟件將不必重新設(shè)定目標(biāo)電話號碼；自動報警模式設(shè)置成功后手機將會自動每隔一段時間查詢一次子機位置，并根據(jù)設(shè)定好的安全距離判斷孩子是否在安全范圍以內(nèi)；當(dāng)點擊查詢按鍵時，首現(xiàn)出現(xiàn)的將會是十字坐標(biāo)形式的顯示模式，顯示兒童相對于自己當(dāng)前的位置，同時可點擊切換Google地圖按鍵，切換到Google地圖顯示模式，顯示具體街道信息。并顯示具體距離和相對方位，手機部分具體的功能流程圖如圖4所示。

正如之前剛剛提到的，兒童的位置信息有兩種顯示方式，分別是十字坐標(biāo)顯示和Google地圖顯示。在十字坐標(biāo)顯示中，以父母的位置為原點建立十字坐標(biāo)系，將孩子對父母的相對位置標(biāo)注在坐標(biāo)系上，同時用文字標(biāo)注出孩子相對于父母的方位角與實際距離，方便父母尋找孩子；而在Google地圖顯示當(dāng)中，首先在屏幕中添加一個.MapView控件，用以調(diào)用Google地圖，然后在地圖上加一透明的覆蓋層，將手機本身和子機的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳入地圖，在實際的位置上標(biāo)注出孩子與父母的位置，幫助父母更直觀地了解到孩子的位置。

正如之前所列出的一樣，兩種圖形顯示各有其優(yōu)缺點：十字坐標(biāo)顯示響應(yīng)快速直觀，能夠在第一時間指明孩子方位，而Google地圖的顯示需要更大的數(shù)據(jù)量，所以在響應(yīng)速度方面會有一些滯后；但是Google地圖顯示能夠告知父母孩子的準(zhǔn)確位置，這是坐標(biāo)顯示所無法相比的。

3 實驗結(jié)果及分析

實際測量時有很多因素都會影響到GPS的準(zhǔn)確率，以下列舉一些引入GPS誤差的因素：(1)衛(wèi)星時鐘誤差：0～1.5 m；(2)衛(wèi)星軌道誤差：1～5 m；(3)電離層引入的誤差：0～30 m；(4)大氣層引入的誤差：0～30 m；(5)接收機本身的噪音：0～10 m；(6)多路反射：0～1 m。

理論分析GPS定位誤差最大約為28 m。

實際情況下，在某一點做長時間連續(xù)測量記錄，并分析在同一點上經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的變化量，如表1所示。

表1 經(jīng)緯度測量值

選取上述數(shù)據(jù)的兩個極限值，然后由兩點經(jīng)緯度計算出兩點距離，計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，在某一點做長時間測量，其誤差的最大值為8.5 m，遠(yuǎn)小于上述總定位誤差 28 m，而且實際測量值應(yīng)該落在以實際測量點為圓心，以8.5 m為半徑的圓內(nèi)，所以GPS的定位誤差是可以接受的。

表2 誤差極限值計算

經(jīng)過大量試驗驗證，系統(tǒng)的各項功能均滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定。但與此同時，系統(tǒng)在GPS定位精度、外觀等方面還存在不足，有待于進一步提高。

基于單片機控制的多功能兒童防走失系統(tǒng)的大部分操作屬于被動操作，便于兒童使用；另外系統(tǒng)通過GPS信號進行處理，不但能夠判斷距離的遠(yuǎn)近，同時還可以指出具體的方向，且系統(tǒng)誤差小于8 m；同時，雙模式的工作方式使得系統(tǒng)適合多樣的場合，適應(yīng)性更強，有很好的市場推廣價值。

[1]李天文.GPS原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]MEIER R.Android高級編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.