基于單片機的多功能背包的設計*

郭佳潤，宮雨夢，劉易坤，陳洪坤，曲昊宇，胡志棟

（1.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866）

近年來，因森林等地手機基站覆蓋不全面，森林作業者及愛好登山、野營等戶外運動的人們常常在野外不慎迷路，手機沒有信號，無法和外界進行聯系。此問題已引起社會各界的廣泛關注，確保人們在此情況下找到正確的道路顯得尤為重要。

針對這種情況，研究者們展開了相關研究，并取得了不錯的成果。程勝等[1]研究出了GPS定位和GSM通信等技術的防走失系統，陳海浪等[2]研究出了基于51單片機的GPS定位系統，潘狀狀等[3]研究出了以STC89C52單片機為核心的計步系統，劉鵬娟等[4]研究出了通過ADXL345加速度計采集走路信息的計步系統。

我國如今基于各種單片機技術研制了有著GPS定位技術的手表等工具，利用GPS不需要手機信號這一特點進行實時定位，并快速顯示出來，快速查清使用者所在位置。也有基于各種單片機的實現精準計數，實時監測熱量、脂肪消耗量的計步器，其可以實現計步和清零的功能，顯示運動的步數和總步數。使用者進行戶外活動時，需要盡量減輕自己所攜帶物品的數量與重量。將兩種功能結合，設計一款防迷路的戶外背包，在背包上同時增添GPS定位裝置和計步裝置，實時記錄和顯示此時背包的位置，且計步裝置可以顯示出迷路者的步數、里程、消耗熱量等，可以讓使用者同時得知自己的位置、所走的距離與消耗的能量。而這種形式的背包可以在戶外有很多應用，在野外有著更大優勢。

1 背包外形設計

此款產品除具有基本戶外背包的功能外，主要功能的實現由兩片單片機組成，顯示屏和按鍵部分置于背包外側，而電路板部分嵌于背包內夾層并有拉鏈可供更換拆裝電池。左側為GPS定位單片機，方形開關為電源健，旁邊圓形按鍵為切換鍵，在速度、衛星數、日期和經緯度、時間、海拔高度兩部分之間進行自由切換。右側為計步器單片機，方形按鈕為電源開關，旁邊的圓形按鍵為步數清零鍵，僅可以清空步數，其旁為總清零鍵，可以清零步數、熱量及里程。其旁的按鍵可以設置步長，步長和步數相乘算出里程，并在屏幕上顯示（見圖1）。

圖1 背包正視圖

2 背包系統設計

2.1 系統總體設計

該系統由兩塊單片機以及SERF GS1100 GPS接收模塊、LCD1602液晶顯示器、ADXL345加速度計構成。

GPS定位單片機有GPS衛星定位功能，使用者在手機沒信號的情況下也可以迅速顯示出經度、緯度、海拔高度，并附有速度、時間、日期、衛星數等信息，同時備有3塊電池的拆裝裝置，可隨時更換電池，延長使用時間。為了更準確地測量所走過的距離，增添了計步單片機，其具有計步功能，并根據設置計算出總里程。此外，為了使用者更明確自己的能量消耗和滿足其日常健身的需要，計步單片機還增添了消耗的熱量。

定位單片機以STC89C52為中央處理器，并用GPS信息接收模塊采集衛星的信息，對其進行編譯，發送給單片機，并在LCD1602液晶顯示器上顯示，使用戶清楚自己的位置[5]。

計步單片機同樣以STC89C52為中央處理器，利用加速度傳感器模塊測量得到加速度并計算出里程，傳輸到單片機中，進行處理得到熱量，最后在LCD1602液晶顯示器上顯示出來[6]，可以隨時知道自己所走的距離與消耗的熱量，按鍵模塊可以隨時清零步數與里程，以便記錄所走的距離得到消耗的熱量。

2.2 GPA

2.2.1 GPS信息接收模塊

此款設計中的GPS信息接收模塊采用的是SERF GS1100 GPS接收模塊，該模塊通過采集衛星的位置、衛星和信息接收模塊的距離等信息[7]，并且利用這些信息列出方程式，從而解出用戶當前的位置。該模塊與天線一起密封在塑料殼中，具有防水功能，使得整個裝置更為穩定安全。此模塊具有12通道并行接收能力，在沒有SA干擾時，平均誤差僅為10 m。工作電壓為5 V左右，電流僅為60 mA，將其與STC89C52單片機相連，功耗低，整個裝置續航能力較強。

2.2.2 控制芯片模塊

控制芯片模塊采用STC89C52，它是一個低電壓、低功耗、高性能的微型單片機，其數據可以保存10年，與MCS-51指令系統兼容，內部結構復雜。單芯片上擁有靈巧的8位MCU，功能強大，有40個引腳，32個輸入/輸出端口。其中所包含的Flash存儲器可反復擦寫，從而降低成本。由于其具有工作簡單、性價比高等優點，單片機越來越廣泛地應用于各種家用電器、醫療設備、智能設備中。

2.2.3 液晶顯示模塊

此款背包設計采用LCD1602液晶顯示器，其采用標準的16腳接口，可以顯示16×2個字符，顯示內容豐富。利用切換鍵可以在速度、衛星數、日期和經緯度、時間、海拔高度兩部分之間進行自由切換。該液晶顯示器具有體積小、功耗低、超薄輕巧等特點，因此越來越廣泛地嵌于各類產品中。此外，還配置LED背光，使顯示屏更清晰。

軟件設計主要根據系統設計原理，明確系統運行邏輯，再利用KEIL進行編程。GPS系統的軟件設計包括按鍵掃描程序、GPS數據接收程序、UTC時間日期轉換程序、LCD1602顯示程序、控制開關程序。程序流程圖見圖2。

圖2 程序流程圖

2.3 計步器系統

2.3.1 加速度傳感器模塊

此款設計中的加速度傳感器模塊采用的是ADXL345加速度計，它是一種小巧、低功耗且高分辨率的三軸MEMS加速度計，通過其上的傳感器測出使用者移動的加速度，從而計算出距離，并通過A/D轉換傳輸給核心中央處理器。其可用電壓為3.3 V或5 V，完全可由幾節電池提供所需要的電壓，其小巧輕便、低功耗的特點在戶外背包上可以減輕重量，節省空間，有很大的優勢。

2.3.2 控制芯片模塊

計步器的核心控制部分仍采用STC89C52單片機，它是整個系統運行的控制核心，具有存儲接收距離等信息功能，負責執行相關開關控制、計數清零的指令，以及與其他模塊的信息交流。由于戶外計步背包所需，其不僅具有以上的存儲、控制等基本功能，還具有低功耗，以及在輸入步長體重后，邏輯運算穩定且數據處理較為快速的特點[6]。

2.3.3 液晶顯示模塊

顯示模塊依舊采用LCD1602液晶顯示器，同樣利用切換鍵可以在設置輸入步長和體重后，得到步數、總里程、消耗的熱量等信息[8]。LCD1602可以顯示兩行數值，清晰地看到輸入的數據，以確保正確得到所需信息。

2.3.4 按鍵模塊

按鍵模塊由開關構成，主要具備對步數與總步數清零的功能，按下1鍵為清零步數，實現單段時間計步的功能，而不會對總的里程造成影響。按下2鍵可以清零總步數、里程、熱量等，在不同的情形下，可以重新記錄進行比較，得到所需信息。系統軟件設計見圖3。

圖3 系統軟件設計圖

3 系統調試與測試

先按下GPS定位單片機的方形開關鍵，LCD1602液晶顯示屏亮起，顯示初始化頁面“Welcome to use！”，在單片機左側黃色指示燈亮起的地方與GPS信息接收天線相連，若指示燈不閃爍，說明未定位成功，反之成功。靜待30 s左右，定位成功，其中第一行“N45°42′”表示當前位置為北緯45度42分，“E126°37′”表示當前位置為東經126度37分，第二行表示當前時間為21時7分47秒，海拔高度為177 m。按下切換鍵，第一行表示當前風度，第二行表示日期和當前覆蓋的衛星數目（見圖4）。

圖4 GPS單片機實物圖

按下計步單片機的開關鍵，LCD1602液晶顯示器屏幕亮起，顯示初始化頁面，顯示出步數、總里程、消耗的熱量，按下切換鍵，進行體重和步長的設置，默認體重為50 kg，步長為30 cm，可根據個人情況進行個性化設置。再按下切換鍵，回到初始頁面，走30步后，顯示出步數為30步，消耗的熱量為1.925 J，總里程為9.3 m（見圖5）。

圖5 計步器單片機實物圖

測試結果表明，在森林等戶外情況下，手機沒信號沒電，利用本設備——用戶必備的背包，可以輕松采集到當前的經緯度、海拔高度、步數、總里程等信息，同時結合地圖，迷路的用戶可以順利找到正確的道路，實用性強。并且其還增添了消耗的熱量，以便于作業者得知自己的能量消耗情況。

4 結束語

本文成功地將GPS定位系統、計步系統與背包相結合，完成了一種防迷路戶外背包的設計，該背包既具有定位功能又具有計步功能，在設計完成后，分別對背包的定位功能和計步功能進行了測試，測試結果表明，該防迷路的戶外背包能滿足預期的使用需求。GPS系統和計步系統與背包的結合，是一種新的設計思路，相信這種思路會進一步完善并得到更廣泛地應用。