北斗定位和ZigBee通信的運動軌跡監測方法

陳昌鑫，趙 亮，謝 冰

（1.中北大學 省部共建動態測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 電氣與控制工程學院，太原 030051；3.河南警察學院 網絡安全系，鄭州450046）

隨著工業自動化、智能化的不斷發展，自動化裝置的研究不斷提高了效率，給生產生活帶來了便利。在一些火災救援現場，傳統人工拋射滅火彈、救生索及消防器材的方法具有隨機性，往往依靠人的經驗，因人而異。近年來，自動化發射裝置逐漸取代了傳統人工發射的方法，滅火炮等自動化發射裝置可以根據建模計算來實現物體的定點投射[1]，極大提高了救援效率，為了驗證和優化自動化發射裝置建模的準確性和可靠性，需要對發射出的物體進行軌跡監測，對實際軌跡與理論值進行對照實驗。

目前，運動體軌跡監測的方法已有大量研究，曾維棋[2]研究了基于FMCW雷達的高精度測距定位算法，通過測量回波信號和發射信號的頻差來實現測距，并通過算法改進提高了定位精度。王寧等[3]研究了基于毫米波感知的小型無源物體定位追蹤，利用毫米波敏感性強的特點感知物體移動，通過反射信號的頻譜變化實現定位追蹤。魏大為[4]研究了基于CCD傳感器視覺圖像定位方法，通過對圖像的灰度形態算法、邊緣監測算法等分析，實現對平衡環位置的定位監測。陳順超[5]研究了一種基于ZigBee網絡的運動物體定位追蹤，研究了基于信號強度值測距的方法及模型的建立。楊春暉等[6]研究了基于超聲波目標定位與追蹤系統在機器人中的應用，通過超聲波測距原理和三邊測量法建立了超聲波定位系統。田會[7]研究了基于光幕陣列的變速曲線彈道彈丸飛行參數測量方法，依據勻速直線運動彈丸穿過不同光幕的時間建立直線運動方程，解算出彈丸空間的著靶坐標和飛行速度矢量。

本文針對運動物體的運動軌跡監測問題，研究一種基于北斗定位和ZigBee的運動物體位置監測方法，實現運動物體軌跡的實時監測與繪制。

1 系統結構組成與工作流程

北斗定位和ZigBee的運動物體位置監測系統主要包含北斗定位信號發送模塊、上位機遠程監測模塊2部分。北斗定位信號發送模塊包括北斗信號接收模塊、主控芯片和ZigBee模塊A，北斗信號接收模塊通過引出天線用于接收北斗衛星信號，北斗信號接收模塊通過串口與主控芯片連接，主控芯片通過另一串口與ZigBee模塊A連接，主控芯片采用STM32F103系列單片機，該單片機具有多個串口。上位機遠程監測模塊包括ZigBee模塊B和上位機，ZigBee模塊B與Zig－Bee模塊A通過無線連接，ZigBee模塊B和上位機通過串口連接，總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構設計圖

主要工作流程為北斗定位模塊接收北斗衛星的數據，后將信號由串口發送到主控芯片進行存儲與解算處理，將處理后的信息通過ZigBee無線模塊A，發送到ZigBee無線模塊B，再由ZigBee無線模塊B發送到上位機軟件進行處理與顯示，達到監測的目的。系統整體工作流程如圖2所示。

圖2 系統整體工作流程圖

2 硬件結構設計

2.1 北斗信號接收模塊

北斗導航系統是我國自主研發的衛星系統，可以實現短報文通信、精密授時和快速定位等服務[8]。為了實現運動軌跡的實時監測與繪制，對北斗信號接收模塊的刷新率提出了較高要求，監測系統要求采用20 Hz刷新率的北斗信號接收模塊，每隔0.05 s接收一次定位數據和時間數據，可以將接收到的信息傳輸到主控芯片Flash進行信號存儲，同時用另一串口發送到Zig－Bee模塊。

北斗信號接收模塊采用NMEA0183協議接收信息，NMEA0183協議采用ASCII碼來傳遞定位信息、地面速度、衛星信息和當前時間信息等多種信息[9]。北斗信號接收模塊選用S1216F8-BD，S1216F8-BD是最先進的全球導航系統接收器，該芯片模塊包含V8內部定位引擎，具有高靈敏度、低功耗等特點。

北斗信號接收模塊通過串口與單片機進行連接，其連接電路如圖3所示，其中除串口通信外，可以根據需求選擇性使用PPS脈沖輸出腳。

圖3 北斗信號接收模塊與單片機硬件連接圖

北斗信號接收模塊通過單片機軟件程序解析其接收到的NMEA0183數據信息，也可以通過SkyTraq改變模塊的串口波特率、輸出頻率及PPS輸出脈沖。北斗信號接收模塊輸出頻率的配置軟件流程如圖4所示。

圖4 北斗信號接收模塊輸出頻率的配置軟件流程圖

2.2 ZigBee遠程傳輸模塊

ZigBee是一種低速率、低成本、近距離的無線網絡傳輸技術[10]，ZigBee一般可以實現節點間400 m及以上距離的傳輸[11]。ZigBee遠程傳輸模塊的設計既可以采用點對點的遠程無線傳輸方式，也可以采用廣播的無線傳輸模式，采用的主要芯片為CC2530的集成模塊。通過設置相同的波特率和頻道，設置主從機模式，實現遠距離無線傳輸。

單片機通過串口與ZigBee模塊進行通信，通過CC2530芯片集成模塊實現串口信息的透傳，單片機串口工作的主要軟件流程圖如圖5所示。

圖5 單片機串口工作的主要軟件流程圖

2.3 電源供電電路設計

單片機、北斗信號接收模塊、ZigBee模塊的主要工作電壓均為3.3 V，通過采用穩壓模塊集成濾波電路實現供電電路的穩定工作。供電電路結構圖如圖6所示。

圖6 供電電路結構圖

3 實驗測試驗證

搭建符合電路圖的實物模型，單片機與ZigBee模塊通過串口1連接，單片機與北斗信號接收模塊通過串口3連接，將串口3接收到的信號進行處理可以通過串口1進行轉發，實物模型圖如圖7所示，北斗信號接收模塊連接天線接收信號，該電路連接可以實現穩定正常工作，測試時可以通過LCD進行顯示實時定位信息。

圖7 實物模型圖

使用無人機裝載該模型進行運動，實現物體運動定位測試，實時接收報文如圖8所示，通過分析報文實時時間，可以看出每隔0.05 s可以接收一次報文信息，$GNGGA為北斗定位信息。

圖8 20 Hz物體運動報文信息圖

通過上位機軟件，可以得到實時定位信息，如圖9所示，其中時間為UTC時間。

圖9 實時定位信息圖

上位機軟件對運動過的定位進行記錄，繪制出軌跡散點圖，3次環形車道軌跡散點圖如圖10所示，通過對軌跡點擬合曲線，實現軌跡的繪制。

圖10 實測運動軌跡散點圖

4 結束語

通過設計基于北斗定位和ZigBee的運動物體位置監測系統，20 Hz刷新率的實時定位信號接收和ZigBee信號傳輸，實現了物體位置的定位及運動物體軌跡監測，為運動物體運動軌跡建模仿真提供了一種實驗驗證方法。該定位方法一般應用于室外環境，具有低功耗、低成本等特點，依靠北斗系統的高性能實現精準定位，應用于運動物體的軌跡校準，對運動物體的控制和監測具有良好的應用前景。