基于物聯網的戶外人員安全智能輔助便攜設備的設計

李鵬威 蘭小方 趙悅

摘 要：為了提高戶外旅游和探險等人員外出的安全性，本文設計了一種基于物聯網的戶外人員安全智能輔助便攜設備。設備系統以ARM架構Cortex-M3內核的ST公司生產的一款芯片型號為STM32F103ZET6的單片機為控制核心模塊，采用DWM1000射頻模塊的定位系統和以其標簽進行路徑數據采樣并且計算路徑相關參數，并通過MPU6050六軸陀螺儀傳感器記錄行程行進方位，在TFT-9325電阻版液晶屏進行數據顯示以及地圖顯示。同時系統包括語音識別控制功能。

關鍵詞：物聯網;單片機;定位

引言

親臨大自然的戶外旅游和探險運動已逐漸成為了目前人們喜歡的休閑和運動方式^[1]，人們在戶外運動和挑戰自然界的同時，也經常會遇到一些如迷路或受天氣環境等意外險情^[2]。為了提供戶外運動人員的安全保護措施，利用物聯網、嵌入式系統等技術開發戶外人員安全所需的隨身設備已成為人們重點關注的問題^[3]。

一、方案設計

本系統的定位原理是將一個DWM1000模塊視為標簽， 以其中其他任意兩個模塊視為基準點，然后把所測量的各個模塊之間的距離帶入標簽的運動軌跡方程，便能實時的計算出標簽相對于基準點的位置，并在TFTLCD液晶顯示屏上進行顯示。利用MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊獲得將方位數據，發送至單片機，單片機進行數據處理和運算，再將方向數據轉化為一個可直接觀察的三角形箭頭，并在液晶顯示屏上動態顯示。系統的路徑規劃算法是通過獲取當前所在地圖中的位置坐標和MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊所測得的方位以及目的地所在的位置坐標來計算出最優路徑的。系統又利用語音控制模塊開發了語音交互功能，增加用戶使用的便捷性。圖1為系統總體方案圖。

二、功能設計

基于物聯網的戶外人員安全智能輔助便攜設備系統包括語音播報模塊、陀螺儀模塊、溫度采集模塊、數據存儲模塊、路徑規劃模塊、定位模塊、地圖顯示模塊、路徑方位指示模塊。本系統打破了傳統網絡規劃路徑的方式，利用無線通信進行二次開發使其進行有效定位為旅游者/探險者的戶外安全提供了更加有效的保障。

1.定位功能：本文利用系統定時器來測量它們在單次通信過程中接收數據的時間偏差來計算電磁波在空氣中飛行的時間，為了減少各個模塊之間因為時鐘源的偏差而導致所測電磁波飛行時間出現較大誤差，本文又在模塊與模塊之間多增加了一次通訊，兩次通訊的時間可以互相彌補因為時鐘偏移引入的誤差，此后把所測得的電磁波飛行時間發送至設備主控模塊STM32F10ZET6單片機，單片機進行數據處理并計算出各個模塊之間得距離。該功能大大提高了系統的定位準確率。

2.方位指示：通過方位顯示能夠給用戶提供更加清楚的方位變化，為用戶的行走提供了高效保障。方位顯示采用了MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊，該模塊將方位數據發送至單片機，單片機進行數據處理和運算，并把方向數據轉化為一個可直接觀察的三角形箭頭，并在TFTLCD液晶顯示屏上顯示出來。

3.路徑規劃：路徑規劃算法是通過獲取當前所在地圖中的位置坐標和MPU6050六軸陀螺儀傳感器模塊所測得的方位以及目的地所在的位置坐標來計算出最優路徑。通過路徑規劃用戶可快速的到達自己所到達的地方或回到原始點。

4.語音識別：通過語音識別模塊系統可識別出用戶的語音信息，如目的地的名稱等，并以此自動規劃出一條可行的行進路線，然后在TFTLCD液晶屏上實時的顯示出行進路線和用戶當前所在位置。該功能使用戶的操作更加方便。

5.語音播報：系統通過語音播報模塊可播報當前的地理位置、路徑狀態、環境溫度等信息，及時提供給外出旅游者或探險者所需的安全信息。系統內置DS18B20溫度采集模塊采集當前的溫度。

結論

本系統的設計能為戶外旅游/探險等人員實時提供路徑、準確定位方向和環境溫度等信息，并具有語音交互功能，帶來便捷性的同時也提高了戶外人員的安全保障性。

參考文獻

[1] 蔡占菲，趙穎輝.基于北斗的戶外探險運動遇險應急終端的設計[J].通訊世界，2017（3）：262-263.

[2] 張倩，周宇，吳婷.基于北斗定位技術的移動健康監測系統[J].通訊世界，2016（8）：251-252.

[3] 宋海永. 基于戶外運動的便攜式生命健康系統開發[D].山東大學，2014.