基于北斗的智能寵物防丟器設(shè)計(jì)

湯致遠(yuǎn) 沈亮 余子龍 張玲 吳有龍

摘 要：為了更好地智能化管理寵物和尋找丟失的寵物，本系統(tǒng)采用Python、Java、北斗定位、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取寵物的位置信息;基于樹莓派設(shè)計(jì)出了一種基于北斗定位的智能寵物防丟器，實(shí)現(xiàn)了電子圍欄管理、實(shí)時(shí)查看寵物位置信息以及寵物丟失后導(dǎo)航尋回的功能。

關(guān)鍵詞：北斗定位;防丟失;智能穿戴設(shè)備;樹莓派;無(wú)線通信;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP79;TN927文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-02

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，家養(yǎng)貓、狗等寵物已經(jīng)成為了一些家庭成員中的重要組成。而且隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能穿戴設(shè)備也在迅速的更新?lián)Q代，如運(yùn)動(dòng)手環(huán)、手表以及智能眼鏡等。但是在目前市場(chǎng)上，寵物所用的智能可穿戴設(shè)備還屬于新興事物[1]。

文獻(xiàn)[2]所提出的方案系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，使用了GPS導(dǎo)航和藍(lán)牙連接手機(jī)客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)寵物的位置和健康狀況管理;文獻(xiàn)[3]中提到的系統(tǒng)使用MQTT協(xié)議上傳位置信息，可遠(yuǎn)程查詢寵物的位置信息。然而，隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全球覆蓋，基于北斗的各種研究也在迅猛發(fā)展[4]。基于上述研究，本文在兼顧遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和客戶端交互的基礎(chǔ)上，添加了電子圍欄、POI搜索、北斗定位以及使用最為廣泛的4G傳輸，實(shí)現(xiàn)了在寵物丟失之前就能提前預(yù)警，以及在寵物尋回后能夠及時(shí)就醫(yī)等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由硬件、軟件和云服務(wù)器三部分組成。硬件部分是載有北斗和4G模塊的樹莓派，可采集數(shù)據(jù)并傳輸信號(hào)至云端服務(wù)器;軟件部分主要通過(guò)與服務(wù)器端的通信獲取硬件所在的實(shí)時(shí)位置信息，并結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)電子圍欄、實(shí)時(shí)位置顯示、導(dǎo)航和興趣點(diǎn)搜索功能;云服務(wù)器部分主要實(shí)現(xiàn)位置信息和用戶賬號(hào)密碼的存取。系統(tǒng)通過(guò)北斗與GPS雙模芯片獲取樹莓派的實(shí)時(shí)位置信息，通過(guò)華為4G模塊訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，阿里云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)Socket通信獲取和發(fā)送位置信息，以及發(fā)送用于校驗(yàn)的用戶名密碼，最后經(jīng)由高德API技術(shù)顯示在Android客戶端的地圖頁(yè)面上。用戶可以通過(guò)登錄Android客戶端訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢相關(guān)信息以及進(jìn)行后續(xù)的導(dǎo)航操作。

基于北斗的智能寵物防丟器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)使用MySQL作為存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，阿里云服務(wù)器的Ubuntu系統(tǒng)作為搭載整個(gè)服務(wù)器的系統(tǒng)，通過(guò)PyCharm完成后臺(tái)服務(wù)器以及樹莓派的控制編碼編寫，通過(guò)Android Studio完成安卓客戶端的后臺(tái)控制代碼以及前段頁(yè)面代碼的編寫。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 北斗定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS、GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)通過(guò)混合星座的布局，優(yōu)化了亞太上方的星座結(jié)構(gòu)，使得亞太地區(qū)的導(dǎo)航信號(hào)更強(qiáng)、定位精度更高[5-6]。

2.2 安卓應(yīng)用開發(fā)及發(fā)布

安卓是一種基于Linux內(nèi)核的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要用于移動(dòng)設(shè)備，比如智能手機(jī)和平板電腦。它由Google公司和開放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開發(fā)[7]。本系統(tǒng)使用Android Studio進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)語(yǔ)言基于Java，布局語(yǔ)言基于XML。Android Studio是谷歌開發(fā)的Android集成開發(fā)工具，用于開發(fā)和調(diào)試，代碼完成后可直接打包生成安裝文件通過(guò)各種渠道發(fā)布。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)

數(shù)據(jù)庫(kù)允許用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的命令“增刪改查”想要存儲(chǔ)的信息，并且可以通過(guò)開放的系統(tǒng)端口進(jìn)行遠(yuǎn)程連接[8]。數(shù)據(jù)庫(kù)分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。本系統(tǒng)使用的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)即為使用最廣泛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)[9]，能存儲(chǔ)定位經(jīng)緯度信息。此外，它在連接安卓客戶端時(shí)能在查找后返回實(shí)時(shí)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，使用高德API顯示在手機(jī)上，從而使定位和后期處理變得更加方便。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將多臺(tái)設(shè)備連接在一起，以達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的[10]。該系統(tǒng)使用套接字通信，即Socket通信，本質(zhì)是基于TCP/IP的通信方式[11]。

3 軟件功能闡述

用戶打開安卓客戶端后，輸入用戶名、密碼，如果校驗(yàn)通過(guò)則會(huì)跳轉(zhuǎn)到模式選擇。目前模式選擇頁(yè)面可選的模式有電子圍欄和直接導(dǎo)航兩種。

（1）選擇電子圍欄，輸入期望的距離閾值，確定并且開啟電子圍欄。超過(guò)閾值則會(huì)在安卓系統(tǒng)的通知中心推送一條通知示警，此時(shí)跳轉(zhuǎn)到直接導(dǎo)航模式。

（2）選擇直接導(dǎo)航模式，則會(huì)跳轉(zhuǎn)到經(jīng)緯度確認(rèn)頁(yè)面，點(diǎn)擊刷新位置后會(huì)顯示目前硬件端所在經(jīng)緯度以及軟件端所處經(jīng)緯度。如果到達(dá)目的地發(fā)現(xiàn)寵物發(fā)生意外，可以點(diǎn)擊當(dāng)前頁(yè)面最上方的按鈕跳轉(zhuǎn)到周邊興趣點(diǎn)搜索。興趣點(diǎn)搜索界面如圖2所示。

興趣點(diǎn)搜索關(guān)鍵詞為確定的關(guān)鍵詞“寵物”，距離為2 km。點(diǎn)擊興趣點(diǎn)搜索后，客戶端上的地圖控件將標(biāo)注硬件端附近2 km內(nèi)的寵物醫(yī)院，點(diǎn)擊可以看見其詳細(xì)地址以及距離。點(diǎn)擊詳情即可跳轉(zhuǎn)到如圖3所示的路徑規(guī)劃界面。

由于2 km范圍比較大，導(dǎo)航頁(yè)面會(huì)提供兩種選擇，分別是步行導(dǎo)航和駕車導(dǎo)航。選擇任意一種導(dǎo)航模式都會(huì)有路線預(yù)覽，并且有取消和開始導(dǎo)航按鈕。點(diǎn)擊取消則復(fù)位，點(diǎn)擊確認(rèn)則跳轉(zhuǎn)到導(dǎo)航詳情頁(yè)。

4 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件核心使用樹莓派4B。樹莓派4B是一款基于ARM架構(gòu)的微型電腦主板，MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，可以外接鼠標(biāo)、鍵盤、移動(dòng)硬盤、網(wǎng)線等;可以安裝Linux、Debian系統(tǒng)，支持Python、Java、C/C++等語(yǔ)言編程開發(fā)。其尺寸較信用卡稍大，功耗極小，具備所有PC的基本功能[12]。樹莓派實(shí)物以及電路連接如圖4所示。

硬件系統(tǒng)工作流程如圖5所示。各模塊上電工作，樹莓派在后臺(tái)以秒為單位循環(huán)執(zhí)行程序指令。該程序主要實(shí)現(xiàn)的是解碼北斗芯片傳回的數(shù)據(jù)，并且截取出經(jīng)緯度信息，通過(guò)4G上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于北斗的智能寵物防丟器，主要實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)端設(shè)置電子圍欄，實(shí)時(shí)監(jiān)控寵物位置，及寵物丟失后導(dǎo)航尋回并在寵物尋回時(shí)導(dǎo)航尋找附近寵物醫(yī)院等功能。小微化的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穿戴設(shè)備的方便易攜，安卓客戶端實(shí)現(xiàn)了對(duì)寵物位置的管理和監(jiān)控，高速網(wǎng)絡(luò)連接也可以實(shí)現(xiàn)管理和監(jiān)控的強(qiáng)時(shí)效性。本系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的寵物防丟手段得到顯著優(yōu)化，提高了系統(tǒng)性能與檢測(cè)效率。

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