摘  要： 鑒于傳統(tǒng)兒童防走失系統(tǒng)使用的局限性，介紹了一種基于單片機(jī)控制的、可以工作在無線信號(hào)與移動(dòng)信號(hào)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式下的兒童防走失系統(tǒng)。分析并利用GPS全球定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確獲取兒童所在位置的經(jīng)緯度信息，通過某種數(shù)據(jù)傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸給父母端設(shè)備，處理數(shù)據(jù)并圖形顯示兒童與父母的具體或是相對(duì)位置。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；GPS；數(shù)據(jù)傳輸；圖形顯示

    據(jù)公安部最新數(shù)據(jù)顯示，近年來我國每年有近20萬兒童失蹤。傳統(tǒng)的兒童防走失系統(tǒng)主要依靠無線電路實(shí)現(xiàn)，兒童端有一個(gè)信號(hào)發(fā)射器，父母端接收此信號(hào)并判斷信號(hào)強(qiáng)度大小，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)即報(bào)警。該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，顯著缺點(diǎn)是適用距離短，無法判別兒童方向，信號(hào)易受干擾。這往往是兒童防走失產(chǎn)品的致命缺點(diǎn)。
    本系統(tǒng)采用的方案是根據(jù)GPS信息判斷兒童具體位置并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，報(bào)警的同時(shí)能夠在第一時(shí)間向父母提供兒童的準(zhǔn)確位置信息。系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)與技術(shù)突破點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    (1)雙模式工作：當(dāng)沒有移動(dòng)信號(hào)時(shí)，可通過無線方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不依靠第三方；當(dāng)距離超過1 000 m時(shí)又可通過短信息傳遞數(shù)據(jù)，方便可靠；
    (2)雙重圖形處理：十字坐標(biāo)顯示響應(yīng)快速直觀，第一時(shí)間指明孩子的方位；Google地圖顯示告知孩子的準(zhǔn)確位置，兩種方式一鍵切換；
    (3)在Android手機(jī)操作系統(tǒng)下開發(fā)了一套完全適用于兒童防走失系統(tǒng)的軟件，可移植性強(qiáng)。
    需要注意的是，系統(tǒng)可以工作在兩種傳輸模式下，且能在兩種模式之間自動(dòng)切換。具體體現(xiàn)在：開機(jī)情況下，兒童端設(shè)備默認(rèn)通過無線信號(hào)的方式與父母端設(shè)備進(jìn)行通信，而當(dāng)接收不到信號(hào)時(shí)，兒童端設(shè)備將會(huì)立刻切換到通過短信息的方式與父母端設(shè)備通信。
1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能
    本兒童防走失系統(tǒng)采用子母機(jī)形式。其中兒童端為子機(jī)，主要用來獲取自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)聽父母端發(fā)送過來的指令，并將自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù)返回給父母端設(shè)備；父母端設(shè)備為母機(jī)，采用了兩種模式：自主開發(fā)的手持終端模式與智能手機(jī)模式，分別通過無線信號(hào)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，兩種模式可自動(dòng)切換。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：(1)防走失報(bào)警：當(dāng)孩子與父母之間的距離超過任意設(shè)定的安全值時(shí)父母端設(shè)備報(bào)警，同時(shí)在父母端設(shè)備上自動(dòng)彈出孩子當(dāng)前的位置信息（以坐標(biāo)信息或Google地圖的形式）；(2)父母主動(dòng)查看孩子的位置：在父母端手持設(shè)備上主動(dòng)操作可以獲得孩子的位置信息；(3)孩子主動(dòng)求助：當(dāng)孩子發(fā)現(xiàn)找不到父母時(shí)，可以按下子機(jī)的傻瓜式按鍵，父母就收到孩子的求助信號(hào)，同時(shí)彈出孩子當(dāng)前的位置信息。
2 系統(tǒng)功能單元設(shè)計(jì)
2.1 GPS數(shù)據(jù)獲取與分析
    GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是新一代的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用人造地球衛(wèi)星確定測(cè)站點(diǎn)位置[1]。在本兒童防走失系統(tǒng)中，定位分為兩種：父母手持終端上的定位和智能手機(jī)上的定位。
    智能手機(jī)上的定位主要依靠手機(jī)內(nèi)部的GPS芯片完成。由于Google開發(fā)的Android操作系統(tǒng)完全開源，可以獲得其所有API函數(shù)，通過調(diào)用API函數(shù)并編寫相關(guān)代碼，可以啟動(dòng)手機(jī)的GPS硬件，獲得基于位置的服務(wù)。這些服務(wù)當(dāng)中包括查詢手機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的最新位置信息、獲得當(dāng)前位置以及更新當(dāng)前位置信息等。在本文編寫的程序當(dāng)中，使用到了查詢手機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的最新位置信息和更新當(dāng)前位置信息等功能，部分程序代碼如下：
    LocationManager locationManager = (LocationManager)getSystemService(context);
    Location location = locationManager.getLastKnownLocation(provider);
    updateWithNewLocation(location);
    其中LocationManager locationManager=(LocationManager)getSystemService(context)用來添加實(shí)例變量來存儲(chǔ)對(duì)LocationManager的引用，啟動(dòng)手機(jī)基于位置的服務(wù)，基于位置的服務(wù)的目的是確定設(shè)備的物理位置；Location location=locationManager.getLastKnownLocation(provider)語句通過對(duì)實(shí)例變量locationManager的引用獲得手機(jī)內(nèi)部最新的GPS數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在location變量中；最后一條語句updateWithNewLocation(location)用來對(duì)手機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更新，以獲得最新的位置信息。
    在兒童和父母端的手持監(jiān)護(hù)終端上分別內(nèi)置了一個(gè)GPS信號(hào)接收機(jī)。由于GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源，對(duì)于陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備(即GPS信號(hào)接收機(jī))，就能夠獲取當(dāng)前的位置信息。利用GPS信號(hào)接收機(jī)將接收到的GPS信號(hào)轉(zhuǎn)化為GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并以TTL電平格式輸出，然后由單片機(jī)I/O口對(duì)其進(jìn)行讀取并進(jìn)行進(jìn)一步的處理。GPS模塊的電源引腳連接到單片機(jī)的VCC與GND引腳上，用以給GPS模塊進(jìn)行供電；GPS模塊的通信引腳連接到單片機(jī)的40與41引腳上，也就是單片機(jī)的異步串行接口RXD0、TXD0，GPS模塊通過這兩個(gè)引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，電平傳輸格式為TTL電平格式。
    當(dāng)系統(tǒng)獲得子機(jī)與母機(jī)的GPS數(shù)據(jù)后，通過一系列算法求得子機(jī)與母機(jī)之間的實(shí)際距離與方位角。具體算法是：由于地球表面無比巨大，將地表看作是一個(gè)平面，將地球的經(jīng)度當(dāng)做這個(gè)平面的Y坐標(biāo)，將緯度看做是X坐標(biāo)。當(dāng)獲得了子機(jī)與母機(jī)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)際上就獲得了它們的橫縱坐標(biāo)，通過勾股定理計(jì)算距離，通過三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算方位角。為求出兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離與相對(duì)角度，首先需要求出其中一點(diǎn)相對(duì)于另外一點(diǎn)在經(jīng)度方向上和緯度方向上的距離，也就是兩條直角邊的長度。而這兩條直角邊的長度可以通過兩點(diǎn)之間的經(jīng)度差和緯度差分別乘以兩點(diǎn)相對(duì)于地球軸心和地球球心半徑來獲得，當(dāng)獲得了兩條直角邊的長度后，兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離也就是斜邊的長度。具體的計(jì)算過程如下：
    
其中，α1、α2、β1和β2分別是兩點(diǎn)的緯度值和經(jīng)度值，α為兩點(diǎn)的平均緯度值，OA、R分別為兩點(diǎn)到地球軸心和球心的半徑，AC、BC為兩點(diǎn)在經(jīng)度方向和緯度方向上的距離。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸
    子機(jī)與母機(jī)之間的通信可以通過兩種模式進(jìn)行，分別是GSM短信息傳輸模式與無線信號(hào)傳輸模式。相應(yīng)地，為了與母機(jī)完成通信，在子機(jī)上分別使用了SIM300C GPRS帶協(xié)議模塊與APC240無線模塊。
    在父母端的智能手機(jī)上開發(fā)了一個(gè)兒童防走失系統(tǒng)配套軟件，當(dāng)父母使用手機(jī)查詢孩子的位置時(shí)，將會(huì)發(fā)送一條含查詢指令的短信到子機(jī)，子機(jī)上的SIM300C模塊接收到短信后會(huì)向單片機(jī)發(fā)送一條指令，單片機(jī)接收到指令后會(huì)對(duì)短信進(jìn)行讀取，然后根據(jù)短信內(nèi)容作出相應(yīng)動(dòng)作。短信發(fā)送程序代碼如下：
    SmsManager smsManager=SmsManager.getDefault();
    smsManager.sendTextMessage(mobile，null，content，null，null);
    其中SmsManager smsManager=SmsManager.getDefault()用來添加一個(gè)實(shí)例變量來存儲(chǔ)對(duì)SmsManager的引用，啟動(dòng)手機(jī)基于短信功能的服務(wù)；smsManager.sendTextMessage
(mobile，null，content，null，null)語句引用SmsManager下的發(fā)送短信功能來發(fā)送指令，其中括號(hào)內(nèi)第一個(gè)參數(shù)為要發(fā)送到手機(jī)的電話號(hào)碼，第三個(gè)參數(shù)為發(fā)送的具體內(nèi)容。
    兒童手持終端中GSM通信部分電路圖如圖2所示。其中左半部分為通信指示燈部分，右半部分為SIM300C模塊與SIM卡的引腳定義。

    當(dāng)父母使用手持終端機(jī)時(shí)，將通過普通無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先由單片機(jī)讀取所需的各種信息，包括GPS數(shù)據(jù)信息與指令信息等，再通過其I/O口將數(shù)據(jù)信息傳遞給無線模塊，由無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3所示為兒童端電路板上的無線發(fā)射部分電路圖（左側(cè)僅畫出發(fā)送部分電路使能圖，接收部分未畫出）。由于整個(gè)板子上共有三處需要使用到串行接口，分別是無線通信部分、GSM通信部分和GPS數(shù)據(jù)收發(fā)部分，而ATMEGA64單片機(jī)只有兩個(gè)串行接口，所以將RXD1與TXD1作為了復(fù)用串口，通過使能端EN_A或EN_B來選擇使用無線通信或是GSM通信。

2.3 父母端手機(jī)軟件開發(fā)
    正如之前所說，在父母端的智能手機(jī)上開發(fā)了一個(gè)兒童防走失系統(tǒng)配套軟件。父母可以將采用Android操作系統(tǒng)的手機(jī)與子機(jī)配套使用。Android是一個(gè)開源的軟件棧，它包含了操作系統(tǒng)、中間件和關(guān)鍵的應(yīng)用程序，以及一組用于編寫移動(dòng)應(yīng)用程序的API庫。Android通過提供一個(gè)以開源的Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)而構(gòu)建的開放的開發(fā)環(huán)境。通過一系列API庫，所有應(yīng)用程序都可以對(duì)硬件進(jìn)行訪問，并且可以在嚴(yán)格受控的條件下完全支持應(yīng)用程序之間的交互[2]。
    當(dāng)父母使用智能手機(jī)與子機(jī)通信時(shí)，將會(huì)通過GSM短信息的方式與子機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用手機(jī)內(nèi)置的GPS芯片獲取自身的GPS數(shù)據(jù)，通過處理子機(jī)傳送過來的GPS數(shù)據(jù)與自身的GPS數(shù)據(jù)來判斷孩子是否處于安全范圍以內(nèi)并顯示兩者之間的相對(duì)位置關(guān)系，或是采用Google地圖的形式來顯示兩者的具體位置。
      手機(jī)軟件部分的主要功能有：(1)主動(dòng)查詢孩子當(dāng)前位置；(2)距離可控定時(shí)查詢報(bào)警；(3)圖形顯示孩子當(dāng)前位置；(4)修改默認(rèn)號(hào)碼等。使用時(shí)，首先進(jìn)入主界面，在主界面上可以完成設(shè)置默認(rèn)號(hào)碼、查詢子機(jī)位置、設(shè)置自動(dòng)報(bào)警參數(shù)等功能。其中，默認(rèn)號(hào)碼一旦設(shè)定成功，以后每次開機(jī)或是打開軟件將不必重新設(shè)定目標(biāo)電話號(hào)碼；自動(dòng)報(bào)警模式設(shè)置成功后手機(jī)將會(huì)自動(dòng)每隔一段時(shí)間查詢一次子機(jī)位置，并根據(jù)設(shè)定好的安全距離判斷孩子是否在安全范圍以內(nèi)；當(dāng)點(diǎn)擊查詢按鍵時(shí)，首現(xiàn)出現(xiàn)的將會(huì)是十字坐標(biāo)形式的顯示模式，顯示兒童相對(duì)于自己當(dāng)前的位置，同時(shí)可點(diǎn)擊切換Google地圖按鍵，切換到Google地圖顯示模式，顯示具體街道信息。并顯示具體距離和相對(duì)方位，手機(jī)部分具體的功能流程圖如圖4所示。

    正如之前剛剛提到的，兒童的位置信息有兩種顯示方式，分別是十字坐標(biāo)顯示和Google地圖顯示。在十字坐標(biāo)顯示中，以父母的位置為原點(diǎn)建立十字坐標(biāo)系，將孩子對(duì)父母的相對(duì)位置標(biāo)注在坐標(biāo)系上，同時(shí)用文字標(biāo)注出孩子相對(duì)于父母的方位角與實(shí)際距離，方便父母尋找孩子；而在Google地圖顯示當(dāng)中，首先在屏幕中添加一個(gè).MapView控件，用以調(diào)用Google地圖，然后在地圖上加一透明的覆蓋層，將手機(jī)本身和子機(jī)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳入地圖，在實(shí)際的位置上標(biāo)注出孩子與父母的位置，幫助父母更直觀地了解到孩子的位置。
      正如之前所列出的一樣，兩種圖形顯示各有其優(yōu)缺點(diǎn)：十字坐標(biāo)顯示響應(yīng)快速直觀，能夠在第一時(shí)間指明孩子方位，而Google地圖的顯示需要更大的數(shù)據(jù)量，所以在響應(yīng)速度方面會(huì)有一些滯后；但是Google地圖顯示能夠告知父母孩子的準(zhǔn)確位置，這是坐標(biāo)顯示所無法相比的。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    實(shí)際測(cè)量時(shí)有很多因素都會(huì)影響到GPS的準(zhǔn)確率，以下列舉一些引入GPS誤差的因素：(1)衛(wèi)星時(shí)鐘誤差：0～1.5 m；(2)衛(wèi)星軌道誤差：1～5 m；(3)電離層引入的誤差：0～30 m；(4)大氣層引入的誤差：0～30 m；(5)接收機(jī)本身的噪音：0～10 m；(6)多路反射：0～1 m。
    理論分析GPS定位誤差最大約為28 m。
    實(shí)際情況下，在某一點(diǎn)做長時(shí)間連續(xù)測(cè)量記錄，并分析在同一點(diǎn)上經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的變化量，如表1所示。
    選取上述數(shù)據(jù)的兩個(gè)極限值，然后由兩點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算出兩點(diǎn)距離，計(jì)算結(jié)果如表2所示。
    由表2可以看出，在某一點(diǎn)做長時(shí)間測(cè)量，其誤差的最大值為8.5 m，遠(yuǎn)小于上述總定位誤差28 m，而且實(shí)際測(cè)量值應(yīng)該落在以實(shí)際測(cè)量點(diǎn)為圓心，以8.5 m為半徑的圓內(nèi)，所以GPS的定位誤差是可以接受的。

    經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定。但與此同時(shí)，系統(tǒng)在GPS定位精度、外觀等方面還存在不足，有待于進(jìn)一步提高。
    基于單片機(jī)控制的多功能兒童防走失系統(tǒng)的大部分操作屬于被動(dòng)操作，便于兒童使用；另外系統(tǒng)通過GPS信號(hào)進(jìn)行處理，不但能夠判斷距離的遠(yuǎn)近，同時(shí)還可以指出具體的方向，且系統(tǒng)誤差小于8 m；同時(shí)，雙模式的工作方式使得系統(tǒng)適合多樣的場(chǎng)合，適應(yīng)性更強(qiáng)，有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 李天文.GPS原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.
[2] MEIER R.Android高級(jí)編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.