基于GPS和GPRS的智能手杖設(shè)計

引 言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，智能設(shè)備已經(jīng)普遍進(jìn)入到人們的生活，很多人都擁有一到兩件智能設(shè)備或更多，但針對老年人的設(shè)備卻寥寥無幾。目前通用的智能設(shè)備科技含量高，而老年人接受和適應(yīng)新事物的能力較差，對于一些智能設(shè)備并不能熟練操作，因此本文針對以上問題，設(shè)計了一款針對行動不便的老年人使用的智能手杖，該手杖無需復(fù)雜操作，只需在電源沒電時及時充電即可。同時在手杖上集成了GPRS 模塊、GPS 模塊、角度傳感器以及攝像頭，家人可以實時查看老人的位置， 在老人摔倒后及時通知，并針對社會上 扶不扶 的熱門話題， 特別增加了攝像功能為老人摔倒提供錄像證據(jù)支持。

1 硬件設(shè)計

本設(shè)計硬件由一根普通手杖、電源模塊、攝像模塊、GPS模塊、GSM模塊和角度傳感器模塊構(gòu)成。電源為其他模塊提供能量，攝像模塊為 扶不扶 提供證據(jù)，GPS模塊接收定位信息，GSM模塊發(fā)送定位信息和報警信息，角度傳感器通過檢測手杖的傾斜角度來判斷老人是否摔倒。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

系統(tǒng)通過 CC3200 OURS 開發(fā)板驅(qū)動角度傳感器，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理判斷，發(fā)出報警信號并傳送給 51 主控芯片。GPS 信號經(jīng)過NEO 數(shù)據(jù)處理模塊，以串口方式傳送至 51 主控芯片。51 主控芯片接收到數(shù)據(jù)后，通過AT 指令控制SIM 模塊向服務(wù)器上傳地理位置和報警信號。攝像模塊長時間開機(jī)，不間斷錄取周圍環(huán)境音視頻，保存 8 小時以內(nèi)的攝像資料，內(nèi)存耗盡后具有自動刪除舊視頻并保存新視頻，必要時刻取下內(nèi)存卡讀取錄制資料的功能。

1.1 SIM900模塊

SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT 封裝的雙頻GSM/GPRS 模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備 GSM/GPRS900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM900A不僅結(jié)構(gòu)小巧、緊湊，還能滿足M2M幾乎所有的應(yīng)用要求。可取出SD卡查看手杖內(nèi)錄像， 為社會熱點問題 扶不扶 提供視頻證據(jù)。

1.2 GPS模塊

GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到真實距離。

GPRMC 數(shù)據(jù)詳解：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh

<1> UTC時間，hhmmss（時分秒）格式，與北京時間相差 8個小時，我們在使用時要在這個時間基礎(chǔ)上加 8個小時。

<2> 定位狀態(tài)，A 為有效定位，V 為無效定位。

<3> 緯度ddmm.mmmm（度分）格式。

<4> 緯度半球 N（北半球）或 S（南半球）。

<5> 經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）格式。

<6> 經(jīng)度半球 E（東經(jīng)）或 W（西經(jīng)）。

1.3 六軸傳感器

六軸模塊采用高精度的陀螺加速度計MPU6050，通過處理器讀取MPU6050 的測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出，避免自己開發(fā)MPU6050 復(fù)雜的I2C 協(xié)議。模塊保留了 MPU6050 的I2C 接口，以滿足高級用戶希望訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求。采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)能有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測量精度為0.01 度，穩(wěn)定性高。

加速度計算公式：

ax=((AxH<<8)│ AxL) 32 76816g

ay =((AyH<<8)│ AyL) 32 76816g

az=((AzH<<8)│ AzL) 32 76816g

在計算加速度時，g 為重力加速度，可取 9.8 m/s2。角速度計算公式：

wx=((wxH<<8)│wxL) 32 768 2 000（/s）

wy =((wyH<<8)│wyL) 32 768 2 000（/s）

wz=((wzH<<8)│wzL) 32 768 2 000（ /s） 角度計算公式：

滾轉(zhuǎn)角（x 軸）Roll=((RollH<<8)│RollL) 32 768180（ ） 

俯仰角（y 軸）Pitch=((PitchH<<8)│PitchL) 32 768 180（ ） 

偏航角（z 軸）Yaw=((YawH<<8)│YawL) 32 768 180（ ）

2 軟件設(shè)計

軟件分為三個部分， 分別為開發(fā)板部分、服務(wù)器部分與Andriod 開發(fā)，其中開發(fā)板程序開發(fā)包含對 GPS 數(shù)據(jù)的接收與解析，對 SIM900 模塊的網(wǎng)絡(luò)操作，以及六軸傳感器的姿態(tài)判斷。服務(wù)器部分主要使用MyEclipse下的Web 開發(fā)、MySQL 數(shù)據(jù)庫以及Tomcat 服務(wù)器布置。Andriod 開發(fā)使用了百度地圖的SDK，整個App 與百度地圖移動版類似。

2.1 開發(fā)板部分

開發(fā)板端主要包含接收地理位置、摔倒判斷以及信息上傳三大功能。軟件流程圖如圖 2 所示。

(1) 數(shù)據(jù)上傳：使用 51單片機(jī)控制SIM900模塊將采集的 GPS數(shù)據(jù)以及摔倒報警信號與服務(wù)器建立TCP連接，將數(shù)據(jù)上傳。

(2) 地理位置 ：接收 GPS數(shù)據(jù)，解析出有用數(shù)據(jù)。

(3) 摔倒判斷：使用 CC3200采集六軸傳感器數(shù)據(jù)，依據(jù)手杖角度以及加速度來判斷是否摔倒，是否發(fā)出摔倒報警信號。

// 數(shù)據(jù)上傳

void creat_tcp()// 建立TCP 鏈接

void send_gprs_data (unsigned char *buf, unsigned int count)// 發(fā)送數(shù)據(jù)

void close_tcp();// 關(guān)閉TCP 鏈接

// 接收地理位置

GPS_RMC_Parse(buf_uart2.buf, &GPS)

// 解析GPRMC 數(shù)據(jù)

pt = GPS_DisplayOne();// 顯示GPS 信息

send_gprs_data（pt，1）// 發(fā)送GPS 數(shù)據(jù)

2.2 服務(wù)器部分

服務(wù)器端主要有兩個服務(wù)端程序，一個為 TCP 服務(wù)與SIM900 建立TCP 連接，接收上傳的GPS 數(shù)據(jù)以及摔倒報警信號，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中。另外一個為 HTTP 服務(wù)，主要與Android 客戶端建立連接，判斷用戶登錄信息是否合法， 返回地理位置坐標(biāo)以及是否摔倒等信息。以下程序為數(shù)據(jù)上傳主要代碼：

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(8080);// 建立 Socket服務(wù)，監(jiān)聽一個端口

Socketsocket = serverSocket.accept(); //通過accept方法獲取連接過來的客戶端對象

InputStream inputStream = socket.getInputStream();// 通過Socket接收數(shù)據(jù)流

// 向SQL 數(shù)據(jù)庫中更新最新的數(shù)據(jù)

new UserSQLConndemo08().ddlUpdateLatitude(Latitude); new UserSQLConndemo08().ddlUpdateLongitude(Longitude); newUserSQLConndemo08().ddlUpdatewarn(warn);//

socket.close(); //關(guān)閉Socket服務(wù)

2.3 Andriod手機(jī) App部分

安卓 App包含登錄界面、主體功能界面兩部分，手機(jī)端流程圖如圖 3所示。登錄界面用來驗證用戶權(quán)限。主體定位功能采用百度地圖官方API，通過HTTP協(xié)議不斷從服務(wù)器獲取坐標(biāo)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，換算為百度地圖坐標(biāo)顯示出來，并且界面具有隨意放大縮小功能。Andriod 手機(jī)客戶端流程圖如圖 3 所示。

mMapView=(MapView)findViewById(R.id.bmapView); // 地圖初始化

mBaiduMap=mMapView.getMap();// 開啟定位圖層

mBaiduMap.setMyLocationEnabled(true); // 定位初始化

mLocClient=new LocationClient(this);

mLocClient.registerLocationListener(myListener);

LocationClientOption option=newLocationClientOption(); 

option.setOpenGps(true);// 打 開 GPS option.setCoorType("bd09ll");// 設(shè)置坐標(biāo)類型

option.setScanSpan(1000);

mLocClient.setLocOption(option); 

mLocClient.start();

結(jié) 語

本文設(shè)計的智能手杖為行動不便的老人提供了極大的幫助，能夠?qū)崟r定位老年人的活動位置，讓家人不在為了老人丟失而煩惱；能夠在摔倒的第一時間通知家人，讓老人受到的傷害降低到最??；能夠?qū)崟r錄像，攙扶摔倒的老人再也不用怕因老人的糊涂而受到社會譴責(zé)。通過實際系統(tǒng)測試，本設(shè)計在待機(jī)時間、定位精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)良好。