基于AGPS定位系統的寵物定位項圈

劉立勛 蔡斯倫

摘 要：AGPS定位系統是一種GPS的運行方式，以AGPS定位系統定位功能為基礎，通過使用手機基地站的信息，同時加上傳統GPS衛星的幫助，使這個方法定位的速度更快。同時通過使用GSM的通信功能去處理無線傳輸的信息，實現遠程傳輸的功能。項圈使用STM32F103C8T6 MCU進行信息獲取，信息處理及信息傳輸等工作。同時通過Zig Bee技術，構造起無線傳感器網絡系統，通過此技術的特點和優勢，擁有高精度的定位，準確地找到網絡中節點的位置，實現AGPS無法實現的室內定位。

關鍵詞：AGPS定位；CC2530；AOA測距原理；ZigBee室內定位

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0046-02

Abstract： AGPS positioning system is a kind of GPS operation mode， which is based on the positioning function of AGPS positioning system， through the use of mobile phone base station information， coupled with the help of traditional GPS satellite， so that the positioning speed of this method is faster. At the same time， the function of remote transmission is realized by using the communication function of GSM to process the information of wireless transmission. The collar uses STM32F103C8T6 MCU for information acquisition， information processing， and information transmission. At the same time， through the Zig Bee technology， the wireless sensor network system is constructed. Through the characteristics and advantages of this technology， it has high-precision positioning， accurately find the location of the nodes in the network， and realize the indoor positioning that AGPS cannot achieve.

Keywords： AGPS positioning； CC2530； AOA ranging principle； ZigBee indoor location

1 研究背景

1.1 寵物定位追蹤器的意義

隨著最近幾年社會經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，大家不再僅僅只注重于自身的健康和溫飽問題，也越來越關注日常生活中的各個方面，大家開始提升自己的生活質量，養寵物就是最常見的方法之一。但在寵物為我們生活帶來快樂的同時，隨之而來的是一系列問題的出現。我們經常可以看到我們的朋友圈會出現寵物走失的尋找啟事，寵物主人丟失的不安，寵物走失的不安全性，已經成為一個越來越大的社會問題。寵物走失如何解決的問題也成為了一個熱門話題，如何有效的對寵物進行定位與監控管理，也是一個越來越需要去解決的問題。

1.2 寵物定位追蹤器的市場分析

在上世紀90年代初期，因為市場需求還沒如今如此龐大的原因，我國的寵物定位跟蹤系統市場尚未形成，同時因為資金，技術，成本等多方面原因的限制，更多的只是興趣愛好者或者實驗室所做出來的實驗品。

90年代后期，寵物定位跟蹤系統市場經歷了整頓，鞏固，充實和提高，在原先擁有的技術基礎上改造，使得整個系統更加完善和高效。但由于技術尚不成熟，導致定位的精度不高，范圍不廣泛，同時因為成本過高，無法讓大眾所接受，所以無法得到廣泛的實際運用。想要實現寵物定位追蹤器的廣泛運用和投入，就必須在提高精度與范圍的同時大幅度地降低成本。

在2000年之后，瓶頸的問題是通信網絡通過GSM網絡技術而得到了新的發展和突破，隨之也帶動了定位跟蹤系統與市場不斷地趨于成熟化，迎來了新的發展和曙光，增長的趨勢變得十分快速。而到了近些年，隨著時代的發展，互聯網和手機等高新設備的普及與高速發展，人們對于定位追蹤這類位置服務的需求也大大增加，國家政策的出臺以及寵物的全民普及，寵物定位追蹤器的需求量也越來越大，寵物市場成為了一個越來越熱門和搶手的機會，寵物定位追蹤系統市場迎來了一個巨大的發展空間。

2 寵物定位與監控系統組成

2.1 基于AGPS的室外定位系統

GPS定位系統因為定位的高精度和準確度，應用廣等優勢受到了很多研發者和使用者的注意，尤其在GPS定位系統更加普遍地成為民用定位后，當然它的缺陷也十分明顯，第一點是GPS發射和接受的信號穿透力差，很容易受到各種客觀因素的影響和干擾，比如建筑物，樹木等等物體的阻擋，從而使定位的精度和準確度受到干擾：第二點是GPS系統的硬件初始化問題，它的首次搜索衛星時間相比其他更長，一般情況下都需要幾分鐘甚至十幾分鐘。而輔助全球衛星定位系統又稱為AGPS的出現非常成功地解決或者說是處理了這兩個問題。AGPS通過利用手機基地站資訊，加上與GPS衛星通過網絡輔助的配合，發揮了作用，有效地緩解了問題。

2.1.1 AGPS的概念及其工作原理

AGPS技術通過利用從網絡所建立的基站中獲取的信息和全球定位系統信息從而對移動臺進行信息定位，可以使用于GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000網絡中。使用AGPS技術需要在手機內添加一個GPS接收模塊，還需要對手機的天線進行改造，在移動網絡上還需要建立位置服務器和差分GPS基準站等裝置。其具體的工作原理描述如下步驟：（1）首先手機將AGPS定位模塊的基站位置信息發送給位置服務器。（2）位置服務器根據得到的手機的大概位置將GPS的輔助信息傳輸給手機。（3）手機根據AGPS

模塊（可以提高GPS信號的第一鎖定時間能力）接受到的GPS的輔助信息開始接收GPS的原始信號。（4）接收到

GPS的原始信號后，手機通過對此信號解調和計算得出它到衛星的偽距，然后將得到的相關信息發送到位置服務器。（5）通過處理接收到的GPS偽距信息和其他定位設備傳送的輔助信息，位置服務器經過計算大概得出該手機的位置。（6）位置服務器將該手機的位置信息發送到相應的應用平臺上。

通過上面所講的工作方式，AGPS技術的優點主要在能夠使定位精度更加的準確和有效，AGPS定位可以說是目前定位準確度和有效性最高的一種定位技術。

2.1.2 AGPS定位的計算方法

在實際應用中根據位置計算所在端的不同，AGPS定位的計算方式可以分為：MS-Assisted方式以及MS-Based方式。以上所述的兩種定位計算方法都是有利有弊的：在MS-Assisted方式中，其優點為對終端的要求較低，但是其缺點也很明顯，就是延時較大、不適用于高速行駛情況下的定位等。MS-Based方式相較于MS-Assisted，它的優點在于網絡負擔以及實時定位延時小；在此方式下工作，核心網絡不用作出任何改進，進而大幅降低成本。

2.2 寵物定位項圈的硬件設計

2.2.1 控制系統整體設計

項圈的單元控制系統可分為兩大部分，分別為電源控制單元與通信模塊管理單元。電源控制單元的充電管理芯片為TP4056，可由外插USB或電池充電。芯片可以檢測充電的狀態，防止出現故障。主控芯片主要由STM32F103C8

T6 MCU進行信息獲取，信息處理以及信息傳輸等工作的通信模塊管理單元。通信模塊管理單元主要管理AGPS與MCU進行數據交換以及GPS與MCU進行數據交換，通過LED顯示不同的顏色向使用者提示電池的電量。而通過ZigBee通信模塊，若干個待定位的盲節點和一個已知位置的參考節點與網關之間形成組網，每個微小的盲節點之間相互協調通信以實現室內定位。

2.2.2 GSM通信模塊

GSM通信模塊主要由四大部分組成，分別是對接受或發射的基帶信號進行解碼的基帶芯片、產生特定頻率驅動代碼發送的射頻芯片、存儲器、功率放大器等器件。在本文里應用其通信功能，用于固定信息的無線傳輸處理，而且能夠達到遠程傳輸。

3 寵物定位與監控系統的總體設計

3.1 系統設計的創新點

3.1.1 ZigBee室內定位優缺點

通過本文上部分對AGPS定位的敘述，我們了解到其在室外等空曠地區定位時的精度一般可達約十米以及首次捕獲GPS信號的時間通常只需幾秒。但是AGPS定位也有劣勢的地方：（1）AGPS室內定位不精準的問題目前仍然無法得到解決，同樣必須通過多次網絡傳輸（最多可達六次單向傳輸）占用了大量的空中資源同時耗費了更多的移動網絡流量。（2）AGPS的定位系統同時也受天氣的影響，大霧、霧霾以為臺風都會使系統的定位不夠準確有時甚至無法完成數據傳輸。（3）設備必須聯網才能使用。而且如果在網絡覆蓋不到的范圍內AGPS基本失去作用。（4）使用AGPS定位的電子設備產品耗電量大，對產品的性能要求高。

3.1.2 全景攝像頭

雖然AGPS定位、ZigBee定位、地理圍欄等技術實現了對寵物活動范圍的監控，但還是不能觀察到寵物的具體行為。為了加深用戶對寵物進一步的了解，增加全景攝像頭可觀察寵物的日常行為活動同時對防盜起了一定的幫助。加入全景攝像頭相當于對產品增加了視覺效果，這對于產品的實現又有了一項艱巨的任務，傳感器窗口、圖片輸出尺寸大小設置先不說，串口接受攝像頭的圖像信號就是一大難點，并且只能使用Esp8266wifi串口模塊。需要從wifi接收數據，串口輸出，再到串口接收數據，wifi輸出。Esp8266的協議是其中的重點環節，另外攝像頭動態傳輸也是難點之一。

3.2 系統設計的目標

本文采用基于AGPS室外定位、ZigBee室內定位、GSM模塊、STM32F103MCU、全景攝像頭等多項技術實現對寵物全方位定位與行為監控，收集的信息可供寵物行為語義分析研究。AGPS與ZigBee的高精度定位技術分別實現了對寵物室內外定位，用戶可以隨時通過手機應用APP獲取寵物當前的位置，起到寵物安全監督和寵物防盜的作用。追加基于高德地圖的地理圍欄，用戶可以通過手機應用APP為寵物設定一個監控范圍。此外，通過全景攝像頭還可以實現對寵物的時時監控并對其活動和行為進行相關記錄。

4 研究工作的展望

本文的研究重點是定位與監控，但是其定位算法是建立在二維平面上展開，所以未來的研究工作可以向三維方面進行發展。雖然二維向三維過渡會遇到各種難題，但是克服這些難題可以使定位系統上升到全新的高度。

參考文獻：

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