基于GPS和LBS定位的兒童追蹤系統設計

鐘嬌嬌　范祥祥　葉永興　陳釗慶

摘 要：針對兒童被拐和丟失問題，文中設計了一套基于GPS和LBS定位的兒童追蹤系統。該系統包括定位裝置、云端服務器、手機客戶端三個部分。通過獲取和分析定位裝置的位置、速度、電量、摘除等信息判定兒童活動是否存在異常，如果有異常情況，系統將主動向手機端發送報警短信。該追蹤系統一定程度上能夠為兒童提供安全保障。

關鍵詞：GPS定位;LBS定位;手機APP;追蹤系統;云端服務器;短信報警

中圖分類號：TP277;TN99文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

目前兒童被拐和失蹤的情況時有發生，而兒童一旦被拐找回的概率微乎其微，最主要的問題是無法得知孩子的位置以及去向。但隨著物聯網技術和大規模集成電路的發展，設計一款針對兒童防拐、防丟失的追蹤系統在技術上實現已成為可能。

本文提出一套針對兒童被拐和丟失問題的解決方案，該方案利用GPS（衛星定位）和LBS（基站定位）雙重定位的方式采集兒童的實時位置，并通過云端服務器將兒童的位置發送到家長手機上以此來降低兒童丟失風險的方案。該方案通過檢測實時速度、位置、電量以及是否被摘除等信息判斷異常，并通過云服務器通知家長。家長也可以通過APP查看孩子的位置、設置速度閾值、設置電子圍欄（活動區域）和一鍵規劃最短的搜救路徑，為孩子提供最佳安全保障。

1 系統結構

由于用戶手機不可能一直在線，且用戶手機和定位端的距離一般相對較遠。為解決這些問題，定位裝置使用GPRS連接云服務器，使云服務器作為中繼器，用作定位端信息接收、處理和保存，并判斷有無異常，從而通知手機端用戶。系統總體架構如圖1所示。

定位裝置通過GPRS網絡接入云端服務器，手機端通過3G/4G通信網接入云端服務器。工作過程：定位裝置將采集到的信息發送到云服務器，云服務器對其進行解析、處理、保存并判斷有無異常，若有異常就通過短信通知手機端。手機端APP從服務器中讀取定位端的信息，并顯示到手機電子地圖上，同時手機也可以設置電子圍欄和速度閾值等信息發送到服務器，服務器將以此為依據對定位裝置的異常信息進行判斷。

2 硬件電路設計

系統硬件電路如圖2所示，定位裝置硬件電路的整體設計主要從系統的穩定性、可靠性、高效性、實用性、簡潔性等方面來考慮。本文采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。該芯片兼容傳統8051指令代碼，但速度比8051快8～

12倍，且價格低廉，符合本文的需求。

為使定位端滿足低功耗、體積小的需求，本系統中GPRS通信、GPS定位、LBS定位、電池電量信息的獲取均通過安信可A9G模塊實現。該模塊還集成了完整的TCP/IP協議棧，其中，GPRS數據業務最大下載速率和上傳速率分別為85.6 Kb/s和42.8 Kb/s，符合本文在通信速率上的要求。利用該模塊的LBS定位功能可以使定位端在沒有GPS信號的地方利用基站定位，從而增強該裝置的定位功能。

防摘除裝置使用一個接插件，如圖2中器件P1所示，一端連接單片機引腳，另一端連接電源負極，當接插件斷開時單片機檢測不到低電平，即裝置被摘除。

3 軟件設計

3.1 定位裝置

定位裝置工作流程如圖3所示。初始化A9G模塊并連接服務器，如果服務器連接失敗就重新連接，直到連接成功。服務器連接成功之后，主控芯片開始讀取各個部分的信息。

（1）讀取GPS定位信息中的$GPRMC字段信息，該字段包括定位是否成功、定位模塊所在經緯度以及速度信息。

（2）讀取模塊LBS定位信息，該信息只包括模塊定位的經度和緯度。

（3）讀取接收插件信息，即模塊是否被摘除。

（4）讀取模塊的電量信息。

（5）將采集到的信息發送到服務器。

最后程序回到最初，重新對服務器連接狀態進行判斷，并不斷重復以上步驟，讀取和發送信息。

3.2 云服務器

云服務器主要功能為信息的接收、處理、保存和判斷定位端是否異常，并向手機端發送報警短信。在本系統中使用NodeJS編寫服務器程序，并建立TCP服務器供手機APP和定位端連接。

云服務器具體流程如圖4所示，服務器初始化之后建立TCP服務器，并建立3個監聽線程，分別為連接建立監聽、連接斷開監聽、接收信息監聽。

連接建立監聽只對手機APP連接做處理，當手機APP連接時，將數據庫中存儲的定位端的信息下發到手機APP。

連接斷開監聽只對定位端的連接斷開做處理，當定位端斷開連接時，向手機APP發送報警短信，提醒用戶服務器無法追蹤到定位端。

信息接收監聽分別對定位端發來的消息和APP發來的消息做處理。當收到定位端的消息后，先將信息進行存儲，然后對數據解析和處理，并判斷是否有異常信息。如果存在異常，服務器就發送報警短信到手機客戶端。如果是手機APP發送過來的信息，先判斷是否為修改電子圍欄指令和修改速度閾值指令，如果是就將要修改的值保存到服務器，然后在判斷是否為讀取定位端數據指令，如果是，就將服務器保存的定位端的數據發送到手機APP。

3.3 手機端

手機APP可以在電子地圖上顯示用戶手機本身的位置和定位端的位置，可以設置定位端的電子圍欄和速度閾值，以及一鍵規劃到定位端的最短路徑，其工作流程如圖5所示。

具體流程為，當APP啟動后連接服務器，之后創建6個監聽線程。

第一個線程監聽普通按鈕是否按下。當普通按鈕按下時切換地圖到普通界面，即只顯示用戶和定位端的位置。如圖6（a）所示，1為用戶手機的位置，2為定位端的位置。

第二個線程用來監聽用戶是否設置電子圍欄指令。當用戶按下圍欄按鈕后地圖切換到圍欄模式，用戶可以拖動圍欄的中心和圍欄的邊界，用來確定電子圍欄的位置和范圍。當用戶再次按下圍欄按鈕時，將會向服務器發送電子圍欄的信息，如圖6（b）所示。

第三個線程用來監聽速度閾值設置按鈕。當用戶按下速度按鈕，彈出速度設置對話框。用戶可以輸入設置的速度，按下確認鍵向服務器發送速度閾值信息，并關閉對話框，如圖6（c）所示。

第四個線程用來監聽路徑規劃按鈕是否按下。當按下路徑規劃按鈕時，系統自動調用高德地圖API進行路徑規劃，并顯示到地圖上，如圖6（d）所示。

第五個線程和第六個線程配合使用，第六個線程每3 s向服務器查詢一次定位端的信息。當服務器下發信息時，由第五個線程接收處理，并將定位端的信息顯示到地圖上。

4 結 語

本文介紹了一套通過GPS和LBS定位的兒童追蹤系統，該系統主要由定位端、服務器和手機端組成。以服務器作為傳輸中繼，手機APP可以隨時登錄服務器查看定位端的狀態，還可以設置電子圍欄、速度閾值等信息。即使手機APP沒有登錄服務器，服務器也可以自主判斷定位端的狀態是否發生異常，如果發生異?？勺灾飨蛴脩羰謾C發送報警短信，為防止孩子丟失提供最大限度保障。

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作者簡介：鐘嬌嬌（1997—），女，本科。

范祥祥（1989—），男，博士，講師，研究方向為傳感器技術。