基于ARM11和Zigbee的人員定位防丟器

劉 磊，陳棟梁，趙宏偉，許耀華

（安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥 230039）

基于ARM11和Zigbee的人員定位防丟器

劉 磊，陳棟梁，趙宏偉，許耀華

（安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥 230039）

文中設計并實現了一款多功能人員定位防丟器，它是由ARM組網，采用Zigbee技術和電子指南針結合，由子機和母機組成，分別置于不同人員身上，具有防丟和定位尋找的功能.子機和母機均具有多頻段數據收發裝置，系統可根據環境復雜程度自適應選擇適當頻段進行數據收發，確保通信的可靠性.母機系統包含顯示和報警系統以及地圖軟件，確保了在定位人員位置的情況下，快速選取正確路線找到走失人員.電路主要采用集成芯片制作，所以具有電路簡單，工作性能穩定，功耗及成本低等優點.

防丟器；多頻段；收發裝置；報警系統；子機電路

目前，我國兒童、老人及智障人員走失現象經常發生，據數據統計顯示，兒童走失24小時后被拐賣的幾率大大增加，尋找的難度也大大增加，所以如何防止家人走失及如何快速找到走失的家人成為一件急需解決的問題.而目前市場上的防丟器主要針對于物品的丟失，功能過于單一，不適于人員的定位與尋找.本文中設計了一款針對于人員防丟的多功能定位防丟器，采用多頻段進行信號傳輸，點對點通信方式，在防丟的同時進行人員定位.

1 系統概述

1.1 電路組成框圖

如圖1所示，系統由ARM組網，其中GPS、zigbee芯片、顯示屏、時鐘、電源、存儲器、LED、報警器均與ARM相連.電源向系統供電，zigbee芯片在780mhz頻段上進行自組網，形成一個網狀網.GPS芯片和zigbee芯片主要負責完成信息的收發，并將接收來的信號通過濾波、ADC、解調、CRC校驗等處理后送入ARM.ARM對數據進行處理，將結果輸出到顯示屏上，同時根據結果進行判斷是否閃爍LED燈或進行報警.在ARM平臺，用QT變成實現了地圖定點顯示，大幅度提高了人員的準確定位.

圖1 系統組成框圖

1.2 硬件電路組成框圖

如圖1所示，左邊是子機，右邊是母機.子機由數據采集電路、編碼調制電路和無線發射電路組成，編碼器輸出具有地址信息的編碼信號，送到無線發射模塊進行調制，輸出穩定的無線電波.母機由接收模塊、解碼解調電路、報警和顯示屏等電路組成.當接收模塊收到子機發射的具有一定強度的無線電波信號后，對其進行檢波還原出編碼信號，送至譯碼解調電路.數據經ARM處理后，輸出到顯示屏上，當子母機之間的距離超過預置的距離，解碼電路輸出的信號使報警電路工作.

硬件電路組成框圖

1.3 硬件電路組成

1.31 Zigbee模塊——HMD40201

HMD40201網絡協調器模塊是瀚之顯具有自主知識產權VNET網絡平臺的組成部分，收發機部分是基于IEEE802.15.4國際標準而構建，MCU部分則是采用低功耗、高效率的COTEX-M3核.H MD40201使用的是WPAN中國頻段779MHZ～787MHZ（UHF頻帶Sub 1G頻段），在物理層采用先進的DSSS直序擴頻技術，支持BPSK和O-QPSK兩種調制模式，多種空中傳輸速率，與2.4GHZ頻段比對，具有良好的穿透力、繞射性能、抗衰減能力等電磁特性，這些特性可以較好的應對建筑物和樓群等復雜通訊條件下電磁信號雜化（多路徑效應）的挑戰，適用于有密集阻擋環境（如集抄項目和其它工業控制項目）時通信效果不理想的環境，HMD40201收發機采用了CSMA/CA碰撞避免的競爭機制，有效解決了網絡數據碰撞的問題，并且物理層采用了數據收發校驗，失敗重發機制，保證了數據傳輸的安全性與穩定性.

接口方式：TTL 串口，115200，8，N，1，并提供SPI接口和I2C接口及更多GPIO接口，資源豐富，方便二次開發；模塊采用1.27mm間距標準數據接口，通過插座進行連接，可以方便的接入用戶底板.配置I-PEX射頻天線端子，可選配多種增益的橡膠天線、吸盤天線等，滿足實際需要；工作于780M/920M免費ISM頻段，4個可選信道，系統容量大；超低功耗設計，最大發射功率5mW，接收電流小于10mA.支持IEEE 802.15.4標準協議，超高抗干擾能力和低誤碼率，視距可靠傳輸距離遠.

圖1 Zigbee芯片實物圖

圖2 Zigbee引腳簡圖

1.32 ARM11——飛凌OK6410

ARM11微處理器是一種高性能、低功耗的‘準64位’微處理器！對于目前大多數嵌入式應用，一個真正的64位處理器仍然被認為是不必要的，其巨大的功耗和面積讓人難以接受.對此，ARM11選擇了一個折中的方案，以較小的代價，部分實現了一個64位微架構.ARM11只在處理器整數單位和高速緩存之間，以及在整數單位和協處理器之間實現了64位數據總線.這些64位數據道路允許處理器在一個時鐘周期中同時獲取兩條指令，還允許在一個時鐘周期執行多個數據讀寫指令.這使得ARM11在執行很多特定序列的代碼時能夠達到非常高的性能，特別是那些允許數據搬移與數據處理并行處理的代碼序列.

S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價比的RSIC處理器，它基于ARM11內核（ARM1176JZF-S），可廣泛應用于移動電話和通用處理等領域；S3C6410為2.5G和3G通信服務提供了優化的硬件性能，內置強大的硬件加速器：包括運動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等；集成了一個MFC（Multi-Format video Codec）支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實時的視頻會議以及NRSC和PAL制式的TV輸出；除此之外，該處理器內置一個采用最先進技術的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/2.0和 D3DM API，能實現 4M triangles/s的3D加速；同時，S3C6410包含了優化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數據帶寬要求.由于以上突出的性能表現，著名的蘋果公司手機IPHONE就是基于S3C6410處理器.

OK6410開發板基于三星公司最新的ARM11處理器S3C6410，擁有強大的內部資源和視頻處理能力，可穩定運行在667MHz主頻以上，支持Mobile DDR和多種NAND Flash.OK6410開發板上集成了多種高端接口，如復合視頻信號、攝像頭、USB、SD卡、液晶屏、以太網，并配備溫度傳感器和紅外接收頭等.

OK6410的軟件系統目前支持WinCE 6.0、LINUX2.6.28、Android2.1以及 uC/OS-II，提供標準板級支持包（BSP）并開放源碼，其中包含了所有接口的驅動程序，客戶可以直接加載使用.另外，該板可連接飛凌公司與之相配套使用的串口擴展板、WIFI模塊、攝像頭模塊等.

2 通信協議

2.1 GPS模塊——REB-3571LP

GPS上電后，每隔一定的時間就會返回的數據，格式為：$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x.結合系統數據的實際需要我們將解析GPRMC數據包.該數據包完整的數據如下：

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

$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65 641,E,1.045,328.42,170809,,,A*60

注：<2>定位狀態，A=有效定位，V=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>經度dddmm.mmmm（度分）格式

<6>經度半球E（東經）或W（西經）

<7>地面速率

<8>地面航向（000.0～359.9度）

2.2 算法協議

工作過程：

（1）系統加電啟動后，進行初始化，此時裝載到芯片中的地圖軟件被啟動，并將周圍環境顯示到顯示屏上.

（2）ARM發組網命令，zigbee進行自組網，組網成功后，zigbee和GPS開始采集數據，并將數據交由ARM處理.

（3）ARM將處理好的數據輸出到顯示屏，同時根據數據處理結果判斷子機和母機之間的距離是否超過預定值，若超過預定值則啟動報警系統，提醒用戶注意.

（4）此時，顯示屏上顯示了子機所處位置及其周圍環境狀況，用戶可根據周圍道路情況選擇合適途徑快速找到子機.

3 結論

本文提出了一種近距離電子防丟報警器的設計方案.目前，兒童、老人及智障人員走失現象經常發生，該方案的應用可以很好的避免類似情況.本文在總結目前市場現有的防丟器的優缺點的基礎上，對防丟報警器的設計進行了進一步的探討，克服了目前市場上報警器功能單一、只能應用在物品丟失等缺點，GPS定位及可裝載地圖功能為用戶快速找到子機創造了有利條件.

〔1〕李文仲.ZIGBEE無線網絡技術入門與實戰[M].北京航空航天大學出版社,2007.184-200.

〔2〕劉和平，劉林，余紅欣，鄭群英.PIC18FXXXA RM原理及接口程序設計.北京航空航天大學出版社，2004.

〔3〕譚浩強.C語言程序設計[M].清華大學出版社，2006.

〔4〕ZigBee Protocol Specification.

TP311

A

1673-260X（2012）09-0011-03