基于GPRS網(wǎng)絡的寵物狗丟失狀態(tài)判定與召回項圈

戴慧慧 楊俊 李瑞金

摘?要：針對寵物的多動性、活動范圍廣和地形復雜，導致普通市面上簡單的定位項圈難以準確找到寵物狗的問題，我們設計了一款基于GPRS網(wǎng)絡的新型寵物項圈，不僅可以準確定位，還可以輔助寵物狗自己找到回家的路。

關(guān)鍵詞：移動通信;GPRS網(wǎng)絡;單片機

1?硬件設計

1.1?總體設計原理

總體硬件設計組成框圖如圖1所示。這是一種由單片機控制的寵物丟失召回項圈，基于GPRS網(wǎng)絡通信技術(shù)，選擇stm32f103c8t6作為主控制芯片。當寵物狗走失，主人手機通過GPRS接收項圈發(fā)出的信息監(jiān)視寵物狗的GPS位置信息，當主人察覺其寵物狗確實走失，可通過手機按下一鍵回家功能。此時項圈就會進入輔助回家狀態(tài)，以寵物狗為圓心，在其家的方向30度圓心角的扇形區(qū)域為工作狀態(tài)，其余330度區(qū)域為空閑狀態(tài)，當寵物狗的頭部朝向家的方向（即在上述30度區(qū)域內(nèi)），此信息由GPS數(shù)據(jù)、三軸陀螺儀數(shù)據(jù)、三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，以及電子羅盤數(shù)據(jù)共同提供給芯片，此時揚聲器就會發(fā)出主人事先錄好的聲音，寵物狗聽到主人熟悉的聲音就會跟隨聲音朝此方向走，而朝向其余330度區(qū)域時揚聲器無任何反應，芯片通過實時建立家的方向最終正確引導寵物狗安全回家。

1.2?位置

由一塊GPS電路板提供寵物位置坐標，由一塊電子羅盤MAG3110和加速度傳感器提供方向，由陀螺儀提供姿態(tài)。從而準確定位小狗的位置，其中傳感器采用MAG3110傳感器，這是一種功率消耗極低的小型數(shù)字式3D磁傳感器，采用I2C接口，具備良好的動態(tài)范圍，即使所處環(huán)境中干擾的磁場量很高，也能夠正常工作。MAG3110磁傳感器的工作原理就是測量PCB板中元件產(chǎn)生的磁場與地磁場的和，即局部磁場的分量。使用這種方法測出來的局部的磁場量最高可達十個數(shù)量級的高斯，輸出數(shù)據(jù)的速率可以穩(wěn)定在85Hz左右;將磁傳感器與三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)進行疊加，能夠得到準確度極高的羅盤信息，此信息不同于方向信息。在使用電子羅盤和三軸加速度傳感器進行測量的基礎(chǔ)上，加上三軸陀螺儀的數(shù)據(jù)，可以彌補測量的不足。通過三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的功能疊加，可以構(gòu)建一個六軸的傳感器模型，這種傳感器模型可以作為運動傳感器使用，其檢測范圍基本涵蓋所有運動狀態(tài)參數(shù)。物體的運動包括三軸的位移和三軸的轉(zhuǎn)動，這些參數(shù)可以組成一個完整的運動軌跡。在此基礎(chǔ)之上結(jié)合電子羅盤的應用既可以檢測到物體的實際運動軌跡，又能夠校準物體的位置信息，最終用這種方式來完成寵物狗移動軌跡的跟隨，由此可以得到一個完整的軌跡。

1.3?通信

在準確定位寵物狗位置和追蹤寵物狗運動軌跡后，將其位置軌跡信息通過通信模板傳到手機終端，通信模塊主要應用GPRS無線分組交換技術(shù)實現(xiàn)無線通信功能，這種與以往不同的業(yè)務主要應用于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，它的前身是GSM通信。GPRS運用的分組交換技術(shù)有著強大的優(yōu)勢，原因在于使用這種業(yè)務時每個信道可以為多個用戶共同享用，并且在同一時間內(nèi)每位用戶又能夠享用多個信道，相比于傳統(tǒng)方式這樣就提高了信道的使用率。GPRS許可用戶在兩端組別跳躍下進行數(shù)據(jù)的傳輸，這種方法通過用戶使用的流量對其進行繳費，用戶不使用的時候既不會掉線也不會收取任何費用，用戶可以隨時在線，這種業(yè)務在提高工作效率的同時也降低了使用費用。使用GPRS通信透明化，傳輸效率高，適用范圍廣，對于一般個人用戶來說有著較高的開發(fā)前景。通信模塊主要建立在AGPRS定位服務系統(tǒng)，利用GPS提供的定位信息以及手機基站提供的信息實現(xiàn)快速、精準的定位功能，同時通過使用GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)通信，這樣實現(xiàn)的距離更遠。

1.4?報警

一個功放電路并且連接3瓦4歐姆的揚聲器提供語言外放，并且含有TF（TransFlash）卡槽，可插入有寵物主人錄音的TF卡;由鋰電池提供電力，并且配備太陽能充電板，可在電池沒電時進行充電。

2?軟件設計

本項目以stm32c8t6為核心芯片，使用C語言編程。stm32c8t6芯片使用ARM內(nèi)核，工頻可達到72MHZ，有連接到APB總線的外設，以及增強型的IO端口。兩個12位ADC可提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。三個16位通用定時器可用于定時和計數(shù)功能。還包括用于通信的I2C接口，USART接口，USB接口等等，stm32c8t6芯片供電電壓為2.0至3.6V。并且為了達到功率消耗更低，芯片采用省電的模式。C語言運行速度快，功能強大，并且C語言具有語言簡短、靈活多變、多種運算符、數(shù)據(jù)類型豐富，沒有嚴格的語法限制，具有現(xiàn)代語言的結(jié)構(gòu)，編程自由度大等優(yōu)點。并且使用這種語言進行編程得到的程序的可移植性更高，在今后的項目技術(shù)迭代中更加便利。

在主控制芯片與通信模塊之間，采用異步串行通信的通信協(xié)議。GPS、陀螺儀、電子羅盤、加速度計等外部傳感器用串口與stm32收發(fā)數(shù)據(jù)，stm32通過GPIO口的分時復用功能實時獲取傳感器數(shù)據(jù)。通過單片機內(nèi)部軟件濾波以及算法分析將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實時信息，如位置信息、方位、姿態(tài)等，緊接著通過通信模塊發(fā)送回用戶端，并在Android軟件上顯示信息。

GPRS通信底層的驅(qū)動部分包括：IO口初始化、串口初始化、AT指令操作、串口中斷函數(shù)。

GPRS通信主程序主要步驟：①TCP/IP連接流程的控制（即AT指令控制）：檢測模塊串口工作，檢查是否插卡，檢查網(wǎng)絡注冊情況，附著網(wǎng)絡，設置PDP參數(shù)，激活網(wǎng)絡，連接TCPIP服務器;②數(shù)據(jù)處理控制：通過控制GPRS數(shù)據(jù)的傳輸，利用中斷的方式得到信息，將GPRS數(shù)據(jù)包含于此信息中再次進行發(fā)送;③檢測是否超時：進行兩次數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)檢測，第一次檢驗數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，則使TCP/IP的連接進行斷開操作，而后再次連接，第二次再檢驗GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，如果數(shù)據(jù)發(fā)送還是不成功則可將其復位，然后再次連接。

通過以上操作能夠?qū)崿F(xiàn)以GPRS通信技術(shù)為基礎(chǔ)的用戶與項圈之間的通信。

3?結(jié)語

本項目的研究重點是定位、姿態(tài)獲取、運動軌跡追蹤、無線通信以及GPRS無線分組交換技術(shù)的應用，采用此種方案設計出的寵物狗丟失狀態(tài)判定與召回項圈，可以有效地解決寵物狗主人丟失愛犬后及時找回的問題。

參考文獻：

[1]何平.基于Zig?Bee技術(shù)的定位研究與應用[D]南京：南京郵電大學，2012.

[2]周峰.基于Android能手機平臺的GPS開發(fā)[J]大眾科技，2012，14（157）：26，3132.

項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（項目編號：S202010361112）

作者簡介：戴慧慧（1999—?），女，漢族，安徽人，在讀本科生，研究方向：通信工程;楊?。?000—?），男，安徽人，在讀本科生，研究方向：電氣及其自動化;李瑞金（1983—?），男，安徽人，博士在讀，研究方向：檢測自動化裝置。