论文总字数：15733字

目 录

1.研究背景 3

2.方案论证 3

3.系统结构及工作模式 4

3.1 系统结构 4

3.2 系统工作模式 5

4.硬件设计 6

4.1 主控模块 6

4.2 蓝牙模块 7

4.2.1 蓝牙模块 7

4.2.2 蓝牙模块应用 7

4.2.3 RSSI测距原理 8

4.3 GPS定位模块 9

4.3.1 GPS定位原理 9

4.3.2 GPS定位模块电路 9

4.4 GSM模块 10

4.5 LCD12864模块 11

11

5.系统软件实现 13

5.1 系统流程框图 13

5.2 GPS定位主要流程 14

6.实验与分析 15

7.小结 16

参考文献 16

致谢 18

一种适于特殊人群的定位系统

鲍登森

，China

Abstract:Aiming at the problem that some special people are easy to lose, a kind of positioning system suitable for different special people is designed. The system is divided into two terminals, the guardian and the guardian each holding a terminal. After the guardian and the guardian distance exceeds the preset safety distance, the guardian terminal sends an alarm signal, sends the alarm signal to the guardian terminal, and the guardian terminal speaker alarm. At the same time, the guardian of the real-time location information will be sent to the guardian's mobile phone side, easy to retrieve the guardian. The system can be through the distance detection, positioning and alarm function, the special vulnerable groups to play an effective safety monitoring and easy to retrieve the role of recovery, has important practical significance.

Key Words: GPS; GSM; Bluetooth; distance detection

1.研究背景

随着社会的进步与人们生活节奏的加快，在现实的都市生活中，人们的外出越来越频繁，特殊人群的走失问题也愈发严重。例如，幼龄儿童丢失以及失智老人走失问题屡见不止，依照各平台的统计数字，中国每年的失踪儿童不完全统计大约有22万人，这些人中能够找回的比例大概只占到0.2%。同样的，全国每年走失老人有52万人左右，而平均每天就有1370名老人走失。这些走失老人的走失原因大多是因为迷路、老年痴呆或其他精神疾病。而在此类特殊人群走失问题中，关键原因是监护人并没有及时察觉到被监护人丢失，因此错过了最佳寻回机会。

当今社会，通信技术在不断地发展,越来越多的高新科技开始使用在儿童丢失上问题上。GPS定位技术已经在手机等各种电子产品设备上广泛应用，市面上也已经出现了越来越多的儿童防丢失设备，如防丢失手表等。现有技术的缺点包括:1、现在已经有的定位与跟踪方式大多是通过平面显示方式展示给我们的；2、对于幼龄儿童来说，现在市面上的各种定位产品的电磁辐射较大； 3、现有设计产品大多功率较高，因此带来了电池续航的问题；4、现有定位跟踪器功能单一，无法解决电力消耗完之后无法工作的续航问题。而对于老人当前防丢失问题，各种老人保护机构一直在积极研发求助呼叫设备，因此，一般失智和健忘老人现在出行时会配备防走失设备。而对于在家中生活的老年人，有的也会配备呼叫求助设备以防止走失以致无法找回。这些设备和工具样式非常之多，用途用法也很多，更新换代速度快，不断地有新产品出现，另一方面，这类产品的智能化程度越来越高，用户的使用也越来越方便。

2.方案论证

方案一：WIFI接收信号强度指示测距。WIFI无线通信技术基于IEEE802.11 协议，工作频段为2.4GHz～5GHz。WIFI 无线电波覆盖半径约为100米^[1]。WIFI信号接收强度测距法具有无需额外硬件设备、容易普及等优点；其缺点为易受环境影响、信号稳定性差等。综上所述，WIFI虽然可以实现测量距离的功能， 但是它容易受到干扰，也容易受到串频的影响。另一方面，它存在着信号稳定性不好的缺点，而且它的信号采样速度也较慢，无法自供电，数据安全性也存在着问题。

方案二：蓝牙接收信号强度指示测距。接收信号强度指示（RSSI）测距是一种基本的测距方法。在实际使用中，它基本不需要蓝牙模块除外的其他硬件设备，因此实现起来较为简单。本文运用蓝牙信号RSSI来实现测距。

蓝牙是一种新型的无线通信技术，它可适用于较短距离范围,因此它受到了世界上许多研究机构的广泛关注，并且其使用频率依然呈上升状态。蓝牙技术在无线技术层面上根本地取代了传统的数据电缆。蓝牙工作在2.4GHz频段,可同时进行语音和传输数据,其传输速率为10Mb/s。而蓝牙4.0标准的有效传输距离可达100米。因此，各种信息化设备可基于蓝牙技术能实现信息共享。由于这些优点，蓝牙技术的应用被普遍认为可以广泛采用，而且极具开发前景，可开发较多功能。因此本设计中对于蓝牙模块的开发应用具有着实际意义。

通常在RSSI测距应用中, 运用的方法是在已知发射模块的发射信号强度的情况下，检测接收模块所接收到的信号强度, 计算出在信号完成通信过程中，信号的能量丢失与损耗,从而利用信号衰减和传递距离之间的近似换算关系计算出距离。本文从试验角度出发, 选取两个蓝牙模块连接后的信号强度为例, 测量出对应的RSSI值,根据RSSI值与距离之间关系换算出实际距离。同时，蓝牙接收信号强度参数值（RSSI）测距法可以穿越遮挡物，误差影响在本系统中可以忽略不计。

综合上述，本设计选用方案二。

3.系统结构及工作模式

3.1 系统结构

该适用于特殊人群的定位系统的硬件框图如图1所示。系统包括监护终端和被监护终端。监护终端包括第一蓝牙模块、扬声器模块、显示模块和第一单片机；被监护终端包括第二蓝牙模块、GSM模块、GPS模块和第二单片机。

（1）蓝牙模块。蓝牙模块可细分为蓝牙发送模块与蓝牙接收模块。系统根据蓝牙接收模块的信号接收强度（RSSI）衰减量计算两模块之间距离从而计算收发终端之间的距离，用以实现系统功能中的距离测量。另外，被监护终端通过蓝牙通信返回数据到监护终端，接收到指定信号后监护终端启动扬声器报警。（2）GSM通信模块。以字符串格式发送短信，短信的内容是经过被监护终端处理过的经纬度信息。（3）GPS定位模块。用于定位被监护终端的实时位置，并得出经纬度信息，以度、分、秒、的格式暂存。（4）扬声器模块。用于接收到指定信号后发出报警信号，实现报警功能。（5）两块单片机模块。两块单片机用于实现系统功能中对两者间距离测量的需要，同时也为了满足监护人与被监护人各自终端需求。另外，采用两块单片机可以提供足够的串口资源和便于进行系统功能扩充和升级。

图1 系统硬件框图

本设计实现了特殊人群丢失报警并定位追踪的功能。系统使用两块STM32系列单片机作为控制模块，其中，监护终端与被监护终端间通过蓝牙连接。监护终端连接蓝牙模块与扬声器模块。被监护终端除了连接蓝牙模块以外，还通过串口连接GSM模块与GPS模块。监护、被监护终端之间蓝牙通信是为了应用接收信号强度（RSSI）来测量两者间距离，蓝牙模块同样用于通信，被监护终端返回报警信号到监护终端，监护终端接收到信号之后启动扬声器实现报警功能。GPS模块是用于实时监控被监护终端的位置信息，并得出经纬度信息，以度、分、秒、的格式暂存。GSM模块是用于将GPS的定位数据经过单片机处理后发送到手机端。

3.2 系统工作模式

系统可根据不同监护对象，分为两种工作模式。模式一幼龄儿童监护，模式二失智老人监护。具体如下：

模式一：将被监护终端安放于被监护人身上用以被监护功能，监护终端用于监护人实现监护功能。被监护终端根据蓝牙接收信号强度损耗（RSSI）计算监护终端、被监护终端之间距离，当距离超过预设安全距离时，被监护终端通过蓝牙数据传输将报警信号发送到监护终端，监护终端接收到报警信号之后启动扬声器报警。同时，被监护终端在通过接收信号强度（RSSI）计算得实际距离大于预设安全距离之后，启用GPS定位追踪系统，实时监控被监护终端的位置信息，并得出经纬度信息，以度、分、秒、的格式暂存。GSM模块实时地将定位数据信息通过GSM网络反馈给手机端，监护人通过手机实时监控被监护人的具体位置。这一功能主要适用于人流量较大的车站或广场，用以防止儿童或老人等弱势群体丢失。作为拓展功能，被监护终端也可以在车站、广场等人流量较大的地方安放于行李箱内，防止行李箱丢失。

模式二：当监护人距离被监护人距离较远时（例如在外工作的监护人需观察位于家中的被监护人情况），例如家中有失智或健忘老人，为防止此类特殊人群走失，可将监护、被监护终端都放置于家中，将监护终端安放于家中固定位置，被监护终端安放在被监护人身上，当被监护终端离开监护终端（家中固定位置）超过预设安全距离时，被监护终端将定位信息实时发送到在外的监护人手机端，监护人可以根据此信息立即做出相关措施。在此工作模式下，由于监护人与被监护人之间距离问题，扬声器模块无需使用，系统只需将GPS定位信息实时通过GSM模块发送到监护人手机端即可。综合功能，可以一定程度上防止被监护人走失。

以上两种模式为本设计所具备的两种工作模式，该两种工作模式在一定程度上可以避免智力发育不完全的幼童或年纪较大的失智老人走失，即便走失，也能在较大程度上帮助监护人迅速找回丢失的被监护人。

4.硬件设计

4.1 主控模块

STM32系列单片机使用的是ARM Cortex-M3内核，具有低功耗等诸多特点。依据容量信息，该系列单片机可以分成三种不同系列：小容量产品、中容量产品和大容量产品。小容量产品、中容量产品、大容量产品分别是指闪存存储器容量在16K-32K字节之间的STM32F101xx、STM32F102xx和STM32F103xx微控制器、闪存存储器容量在64K-128K字节之间的STM32F101xx、STM32F102xx和STM32F10xx微控制器和闪存存储器容量在256K-512K字节之间的STM32F101xx和STM32F103xx微控制器。本设计使用的是512K闪存存储容量的STM32F103xx单片机，用以存放程序和数据。该系列单片机在本设计中最为重要的特点是它拥有3的USART通道，也即是拥有3个串口通信数据口，满足了本设计对串口数目的要求，可以实现单片机被监护终端上的GPS、GSM和蓝牙模块对串口的需求。

本设计所选用的STM32F103系列单片机在启动的时候要进行系统时钟选择，但在系统复位的时候其内部的8MHz的晶振被选用以作为CPU的时钟，此时可以选择一个外部时钟，外部时钟频率可以是4-16MHz，同时会被监测来判定是否成功。

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