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控制的,、可以工作在無線信號與移動信號兩種數(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位置。
關(guān)鍵詞： 單片機,；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現(xiàn)，兒童端有一個信號發(fā)射器,，父母端接收此信號并判斷信號強度大小,，當(dāng)信號強度小于設(shè)定值時即報警。該方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,、體積小,，顯著缺點是適用距離短，無法判別兒童方向,，信號易受干擾,。這往往是兒童防走失產(chǎn)品的致命缺點。
    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現(xiàn)報警功能,，報警的同時能夠在第一時間向父母提供兒童的準(zhǔn)確位置信息,。系統(tǒng)的創(chuàng)新點與技術(shù)突破點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
    (1)雙模式工作：當(dāng)沒有移動信號時,，可通過無線方式實現(xiàn)點對點通信，不依靠第三方,；當(dāng)距離超過1 000 m時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。
    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切換。具體體現(xiàn)在：開機情況下,，兒童端設(shè)備默認(rèn)通過無線信號的方式與父母端設(shè)備進行通信,，而當(dāng)接收不到信號時，兒童端設(shè)備將會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)采用子母機形式,。其中兒童端為子機，主要用來獲取自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù),，同時監(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,，采用了兩種模式：自主開發(fā)的手持終端模式與智能手機模式,，分別通過無線信號和移動網(wǎng)絡(luò)信號進行數(shù)據(jù)傳輸，兩種模式可自動切換,。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

    系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：(1)防走失報警：當(dāng)孩子與父母之間的距離超過任意設(shè)定的安全值時父母端設(shè)備報警,，同時在父母端設(shè)備上自動彈出孩子當(dāng)前的位置信息（以坐標(biāo)信息或Google地圖的形式）,；(2)父母主動查看孩子的位置：在父母端手持設(shè)備上主動操作可以獲得孩子的位置信息；(3)孩子主動求助：當(dāng)孩子發(fā)現(xiàn)找不到父母時,，可以按下子機的傻瓜式按鍵,，父母就收到孩子的求助信號，同時彈出孩子當(dāng)前的位置信息,。
2 系統(tǒng)功能單元設(shè)計
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)星確定測站點位置[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上的定位,。
    智能手機上的定位主要依靠手機內(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,，可以啟動手機的GPS硬件，獲得基于位置的服務(wù),。這些服務(wù)當(dāng)中包括查詢手機內(nèi)部存儲的最新位置信息,、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,，使用到了查詢手機內(nèi)部存儲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)用來添加實例變量來存儲對LocationManager的引用，啟動手機基于位置的服務(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)語句通過對實例變量locationManager的引用獲得手機內(nèi)部最新的GPS數(shù)據(jù)，并存儲在location變量中,；最后一條語句updateWithNewLocation(location)用來對手機內(nèi)部存儲的GPS數(shù)據(jù)信息進行更新,，以獲得最新的位置信息。
    在兒童和父母端的手持監(jiān)護終端上分別內(nèi)置了一個GPS信號接收機,。由于GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源,，對于陸地、 海洋和空間的廣大用戶,，只要擁有能夠接收,、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備(即GPS信號接收機),，就能夠獲取當(dāng)前的位置信息,。利用GPS信號接收機將接收到的GPS信號轉(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I/O口對其進行讀取并進行進一步的處理,。GPS模塊的電源引腳連接到單片機的VCC與GND引腳上，用以給GPS模塊進行供電,；GPS模塊的通信引腳連接到單片機的40與41引腳上,，也就是單片機的異步串行接口RXD0、TXD0,，GPS模塊通過這兩個引腳進行數(shù)據(jù)的收發(fā),，電平傳輸格式為TTL電平格式。
    當(dāng)系統(tǒng)獲得子機與母機的GPS數(shù)據(jù)后,，通過一系列算法求得子機與母機之間的實際距離與方位角,。具體算法是：由于地球表面無比巨大，將地表看作是一個平面，將地球的經(jīng)度當(dāng)做這個平面的Y坐標(biāo),，將緯度看做是X坐標(biāo),。當(dāng)獲得了子機與母機的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)時，實際上就獲得了它們的橫縱坐標(biāo),，通過勾股定理計算距離,，通過三角函數(shù)關(guān)系計算方位角。為求出兩點之間的實際距離與相對角度,，首先需要求出其中一點相對于另外一點在經(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之間的經(jīng)度差和緯度差分別乘以兩點相對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,，兩點之間的實際距離也就是斜邊的長度。具體的計算過程如下：
    
其中,，α1,、α2、β1和β2分別是兩點的緯度值和經(jīng)度值,，α為兩點的平均緯度值,，OA、R分別為兩點到地球軸心和球心的半徑,，AC,、BC為兩點在經(jīng)度方向和緯度方向上的距離。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸
    子機與母機之間的通信可以通過兩種模式進行,，分別是GSM短信息傳輸模式與無線信號傳輸模式,。相應(yīng)地，為了與母機完成通信,，在子機上分別使用了SIM300C GPRS帶協(xié)議模塊與APC240無線模塊,。
    在父母端的智能手機上開發(fā)了一個兒童防走失系統(tǒng)配套軟件，當(dāng)父母使用手機查詢孩子的位置時,，將會發(fā)送一條含查詢指令的短信到子機,，子機上的SIM300C模塊接收到短信后會向單片機發(fā)送一條指令，單片機接收到指令后會對短信進行讀取,，然后根據(jù)短信內(nèi)容作出相應(yīng)動作,。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()用來添加一個實例變量來存儲對SmsManager的引用,，啟動手機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,，其中括號內(nèi)第一個參數(shù)為要發(fā)送到手機的電話號碼,，第三個參數(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時,，將通過普通無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸,。首先由單片機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單片機只有兩個串行接口，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 父母端手機軟件開發(fā)
    正如之前所說，在父母端的智能手機上開發(fā)了一個兒童防走失系統(tǒng)配套軟件,。父母可以將采用Android操作系統(tǒng)的手機與子機配套使用,。Android是一個開源的軟件棧，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應(yīng)用程序的API庫。Android通過提供一個以開源的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)用程序都可以對硬件進行訪問，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)父母使用智能手機與子機通信時,，將會通過GSM短信息的方式與子機進行數(shù)據(jù)傳輸。利用手機內(nèi)置的GPS芯片獲取自身的GPS數(shù)據(jù),，通過處理子機傳送過來的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。
      手機軟件部分的主要功能有：(1)主動查詢孩子當(dāng)前位置；(2)距離可控定時查詢報警,；(3)圖形顯示孩子當(dāng)前位置,；(4)修改默認(rèn)號碼等。使用時,，首先進入主界面,，在主界面上可以完成設(shè)置默認(rèn)號碼、查詢子機位置,、設(shè)置自動報警參數(shù)等功能,。其中，默認(rèn)號碼一旦設(shè)定成功,，以后每次開機或是打開軟件將不必重新設(shè)定目標(biāo)電話號碼,；自動報警模式設(shè)置成功后手機將會自動每隔一段時間查詢一次子機位置，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)點擊查詢按鍵時,，首現(xiàn)出現(xiàn)的將會是十字坐標(biāo)形式的顯示模式，顯示兒童相對于自己當(dāng)前的位置,，同時可點擊切換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方位,，手機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建立十字坐標(biāo)系,，將孩子對父母的相對位置標(biāo)注在坐標(biāo)系上，同時用文字標(biāo)注出孩子相對于父母的方位角與實際距離,，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.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，將手機本身和子機的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳入地圖,，在實際的位置上標(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：十字坐標(biāo)顯示響應(yīng)快速直觀,，能夠在第一時間指明孩子方位,，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 實驗結(jié)果及分析
    實際測量時有很多因素都會影響到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。
    實際情況下,，在某一點做長時間連續(xù)測量記錄,，并分析在同一點上經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的變化量，如表1所示,。
    選取上述數(shù)據(jù)的兩個極限值,，然后由兩點經(jīng)緯度計算出兩點距離，計算結(jié)果如表2所示,。
    由表2可以看出,，在某一點做長時間測量，其誤差的最大值為8.5 m,，遠小于上述總定位誤差28 m,，而且實際測量值應(yīng)該落在以實際測量點為圓心，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)過大量試驗驗證，系統(tǒng)的各項功能均滿足設(shè)計要求,，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定,。但與此同時，系統(tǒng)在GPS定位精度,、外觀等方面還存在不足,，有待于進一步提高。
    基于單片機控制的多功能兒童防走失系統(tǒng)的大部分操作屬于被動操作,，便于兒童使用,；另外系統(tǒng)通過GPS信號進行處理，不但能夠判斷距離的遠近,，同時還可以指出具體的方向,，且系統(tǒng)誤差小于8 m,；同時，雙模式的工作方式使得系統(tǒng)適合多樣的場合,，適應(yīng)性更強,，有很好的市場推廣價值。
參考文獻
[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高級編程[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2010.