熊中剛

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

基于集成模塊的超低輻射定位檢測系統(tǒng)設(shè)計

熊中剛

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

為實時掌握兒童當(dāng)前位置，同時滿足無輻射和高效節(jié)能的要求，設(shè)計了一款基于GPRS-GPS-GSM的無線無輻射兒童防丟定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)近距離根據(jù)主從模塊上Si4432射頻模塊之間通信的無線信號強(qiáng)弱，采取超長待機(jī)被動接收無線信號的定位方式；遠(yuǎn)距離運用GPS/GSM雙定位方式采集定位信息，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)接脩艚K端；同時運用雙效節(jié)能調(diào)節(jié)算法DVS-DPM和動態(tài)休眠通信算法（DynamicSleepCommunication Algorithm，DSCA）對無線通信進(jìn)行處理，使系統(tǒng)達(dá)到最佳防丟節(jié)能效果。

無輻射；定位系統(tǒng)；節(jié)能算法；GSM；GPRS；GPS

隨著生活水平的不斷提高，兒童安全問題越來越受到人們的重視。目前已研究出的各種防丟系統(tǒng)由于長期發(fā)出無線輻射會使人出現(xiàn)頭痛、疲勞、惡心、暈眩和記憶力減退癥狀，同時還增加了人體患癌癥及心臟病的風(fēng)險，無線輻射還可殺死腦細(xì)胞，造成“電子毒霧”，特別是對處于成長發(fā)育期的嬰幼兒傷害更大，導(dǎo)致父母對這些產(chǎn)品的使用具有強(qiáng)烈的戒備心理［1-3］。

防丟系統(tǒng)另一個焦點問題是系統(tǒng)的低能耗。針對實時周期性任務(wù)的系統(tǒng)節(jié)能，文獻(xiàn)［4］提出了一種靜態(tài)分配和動態(tài)調(diào)整相結(jié)合的節(jié)能調(diào)度策略，文獻(xiàn)［5］針對有相同截止期的實時周期任務(wù)的不同能量特性，利用二叉搜索策略提出了一種降低能耗的方法。綜合當(dāng)前研究現(xiàn)狀，本文采用DVS-DPM和動態(tài)休眠通信算法，設(shè)計了一種基于集成模塊的超低輻射兒童防丟定位系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)由主模塊和從模塊兩部分組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主模塊負(fù)責(zé)發(fā)射無線定位信號，主要由中央處理單元、Si4432無線發(fā)射單元、按鍵處理單元和電源節(jié)能單元組成。從模塊負(fù)責(zé)射頻信號的接收與定位，主要由中央處理單元、GPRS/GPS/ GSM定位單元、鋰電池充放電管理單元、Si4432無線接收單元和電源節(jié)能單元組成。

圖1　無輻射兒童防丟定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

其工作原理為：外出時，將從模塊佩戴在兒童身上，按下主模塊按鍵，主模塊中央處理單元通過Si4432無線發(fā)射單元向從模塊發(fā)送啟動定位信令，之后周期性向從模塊發(fā)送無線聯(lián)絡(luò)信號，從模塊Si4432無線接收單元接收到啟動信令后，如果能周期性接收到聯(lián)絡(luò)信號，則定位單元一直處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，不產(chǎn)生任何無線電輻射，當(dāng)Si4432無線接收單元在設(shè)定時間內(nèi)未接收到聯(lián)絡(luò)信號時，定位系統(tǒng)會自行啟動GPRS/GPS/GSM定位單元，同時自行將其采集的當(dāng)前定位信息通過GPRS發(fā)送到服務(wù)器或通過GSM發(fā)送到設(shè)定的告警號碼，告知用戶從模塊的當(dāng)前位置。

2　硬件電路設(shè)計

2.1主模塊硬件電路設(shè)計

主模塊主要由中央處理單元、射頻信號發(fā)射單元、按鍵單元和電源節(jié)能單元四部分組成。按鍵單元通過按鍵檢測輸入信號，并將相應(yīng)信號送給中央處理單元。電源節(jié)能單元主要通過中央處理器傳輸?shù)拿}沖信號來控制電壓輸出的通斷。射頻信號發(fā)射單元以Si4432射頻芯片為核心來進(jìn)行設(shè)計，Si4432射頻模塊是一款高度集成的無線 ISM頻段收發(fā)模塊，用于周期性地發(fā)送無線信號。中央處理單元采用宏晶科技生產(chǎn)的STC11F02E系列的低功耗單片機(jī)STC11L04E，用于對獲得的信號啟動命令進(jìn)行分析處理，對Si4432進(jìn)行功能設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送控制等。具體電路如圖2所示。

圖2　主模塊電路

2.2從模塊硬件電路設(shè)計

從模塊主要由中央處理器單元、射頻信號接收單元、GPS/GPRS/GSM集成定位單元、電源節(jié)能單元和充電管理單元五部分組成。GPS/GPRS/GSM集成定位單元根據(jù)檢測到的GPS和GSM信號強(qiáng)弱，通過中央處理器的控制命令自適應(yīng)開啟 GPS和GSM定位功能，GPS完成信息接收功能，GSM完成網(wǎng)絡(luò)定位功能，并將獲得的位置信息編制成短信通過GSM發(fā)送給用戶或通過GPRS發(fā)送到本地服務(wù)器。

充電管理單元采用鋰電池充電管理芯片實現(xiàn)對系統(tǒng)的充電保護(hù)。

中央處理單元采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2系列的低功耗單片機(jī) STC12LE5A32S2作為主控芯片，控制Si4432無線射頻模塊的信號接收和定位模塊的信息采集與傳輸。具體電路如圖3所示。

圖3　從模塊電路

3　軟件設(shè)計

3.1軟件總體介紹及流程圖

依據(jù)定位系統(tǒng)超低輻射的要求，當(dāng)主模塊向從模塊發(fā)送定位啟動信令后，射頻信號發(fā)射單元周期性向從模塊發(fā)射無線信號；從模塊接收機(jī)采取被動接收無線信號的方式，通過檢測主模塊無線信號進(jìn)行位置判斷，當(dāng)在設(shè)定時間內(nèi)未接收到主模塊發(fā)送來的信號時，從模塊便會自行啟動GPRS/GPS/GSM集成定位單元，進(jìn)行跟蹤定位，同時通過雙效節(jié)能調(diào)節(jié)算法DVS-DPM和動態(tài)休眠通信算法 （Dynamic Sleep Communication Algorithm，DSCA）［6，7］對無線通信進(jìn)行雙重節(jié)能處理，使防丟系統(tǒng)節(jié)能效果更佳。

信號發(fā)射流程：將接收機(jī)地址和待發(fā)送數(shù)據(jù)按時序送入Si4432無線發(fā)射單元，配置相應(yīng)寄存器，使單片機(jī)的 P33腳電壓升高，通過檢測按鍵啟動Si4432無線發(fā)射單元進(jìn)入相應(yīng)信號發(fā)射模式（其發(fā)射過程為給射頻前端供電，射頻數(shù)據(jù)打包，高速發(fā)射數(shù)據(jù)包），發(fā)送周期聯(lián)絡(luò)信號到從模塊。主模塊信號發(fā)射流程圖如圖4所示。

圖4　主模塊信號發(fā)射流程圖

接收流程：從模塊初始化，在接收到主模塊發(fā)送的定位啟動信令后，Si4432無線接收單元進(jìn)入節(jié)能休眠狀態(tài)，等待主模塊Si4432周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)包；當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包 （正確地址和CRC校驗碼）時，中央處理單元Si4432將數(shù)據(jù)讀出；如果在設(shè)定時間內(nèi)沒有接收到信號，中央處理單元控制GPRS/ GPS/GSM定位模塊自行啟動，通過GPS/GSM采集當(dāng)前位置信息，經(jīng)中央處理單元將定位數(shù)據(jù)打包處理后，由GPRS傳到服務(wù)器或由GSM傳到設(shè)定的號碼。從模塊信號接收流程圖如圖5所示。

圖5　從模塊信號接收流程圖

3.2無線模塊通信節(jié)能算法處理

由于該系統(tǒng)采用3.7V電池供電，同時考慮到Si4432無線射頻模塊、GPRS/GSM/GPS定位模塊工作能耗大，為降低無線設(shè)備能耗，延長電池使用壽命，作者運用雙效節(jié)能調(diào)節(jié)算法DVS-DPM和動態(tài)休眠通信算法，使系統(tǒng)達(dá)到最佳節(jié)能效果［8］。

3.2.1雙效節(jié)能調(diào)節(jié)條件

無線通信模塊分為休眠、空閑、發(fā)送和接收四個狀態(tài)，各狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要消耗一定能量，且有時延，當(dāng)CPU結(jié)合DPM處理無線通信模塊幾種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時，只有狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時消耗的能量基本等于設(shè)備進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)時節(jié)約的能量，DPM才能有效完成節(jié)約能耗的工作。圖6表明了狀態(tài)轉(zhuǎn)換與能量變化的關(guān)系。

圖6　狀態(tài)轉(zhuǎn)換與能量變化關(guān)系曲線

STC單片機(jī)空閑狀態(tài)電流1.8mA，休眠狀態(tài)電流小于0.1uA，設(shè)空閑狀態(tài)功耗為P1，休眠狀態(tài)功耗為P2，空閑時間為T，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換時額外消耗的能量：

當(dāng)系統(tǒng)從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)時節(jié)約的能量：

綜合（1）、（2）兩式可知，空閑時間（相鄰兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間間隔）T需大于某一時間Ti（進(jìn)入休眠狀態(tài)能夠保證節(jié)能的最短空閑時間長度）才能滿足E1大于0，從而實現(xiàn)節(jié)能目的。

3.2.2最佳能耗點的求解處理過程

系統(tǒng)功耗主要包括以下四部分：Psw―電容充放電消耗功率；Pc―電容充放電時，供應(yīng)電壓的瞬間功耗；Pl―晶體管靜態(tài)漏電流消耗功率；Pst―電流為常數(shù)時消耗功率。分析可得：

式中 Vdd―電源電壓；

Ps―休眠功率；

Pw―總功率。

令P0=Pc+Pl+Pst，則

設(shè)系統(tǒng)在某一周期內(nèi)，M為總代碼量，Tx為實際完成時間，Ti為規(guī)定完成時間，?為系統(tǒng)工作頻率，滿足?min＜?＜?max，Vmin＜Vdd＜Vmax，M、Ps、Ti一定時，則一個周期內(nèi)系統(tǒng)的最低能耗為：

4　試驗及結(jié)果分析

4.1定位試驗及分析

首先將系統(tǒng)中的 Si4432無線收發(fā)頻率設(shè)置為433MHz，分別在室內(nèi)、高大建筑物和空曠環(huán)境下進(jìn)行定位測試試驗，周期性的發(fā)送定量數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包存放10字節(jié)的數(shù)據(jù)，試驗測得Si4432無線通信模塊在室內(nèi)有障礙物直接遮擋環(huán)境下的通訊距離為55.5m；在室外比較空曠的環(huán)境下，通訊距離最大可達(dá)1000m，有效定位距離及效果如表1。

從表1可以看出，測試距離在1 000 m以內(nèi)，從接收到的數(shù)據(jù)包及準(zhǔn)確率看，可以保證能夠準(zhǔn)確地發(fā)送報警信號。本試驗系統(tǒng)中測得無線射頻模塊各個狀態(tài)時的功耗如表2所示。

表1　測試有效通訊定位距離

表2　Si4432各狀態(tài)時的功耗

4.2節(jié)能試驗及分析

為實現(xiàn)有效節(jié)能，運用雙效節(jié)能調(diào)節(jié)算法DVSDPM調(diào)節(jié)射頻模塊在工作和休眠狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，且在滿足公式（2）條件下，經(jīng)計算狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間應(yīng)滿足T〉5.6ms。由DVS-DPM和DSCA處理可以得出分布集中動態(tài)休眠時間，根據(jù)任務(wù)需要可分別取休眠時間為0.1s、0.3s、0.6s和1s，每隔10s主從設(shè)備互傳一個數(shù)據(jù)包，由表3可知，經(jīng)過處理后在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠傳輸?shù)耐瑫r，大大降低了設(shè)備功耗，且休眠時間越長，功耗越低。

表3　不同休眠時間對應(yīng)平均電流值

為了驗證無線通信模塊經(jīng)過DSCA和雙效節(jié)能調(diào)節(jié)算法DVS-DPM處理后的節(jié)能性，作者進(jìn)行了節(jié)能性能測試試驗，傳輸距離35.5m，所有節(jié)點的初始能量都設(shè)為1J，實驗測試運行3600s，試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，經(jīng)DSCA和DVS-DPM處理后的設(shè)備節(jié)能效果明顯。

圖7　能量消耗比較圖

5　結(jié)論

作者設(shè)計了一種基于GPRS-GPS-GSM的無線無輻射防丟定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用近距離通過Si4432無線模塊超長待機(jī)的被動信號接收方式和遠(yuǎn)距離運用GPS定位技術(shù)，使系統(tǒng)具有無輻射和定位精度高的特點，同時從理論分析和一定條件下的實驗結(jié)果來看，經(jīng)雙效節(jié)能調(diào)節(jié)算法DVS-DPM和動態(tài)休眠通信算法處理的系統(tǒng)具有高效節(jié)能的優(yōu)點，有效彌補(bǔ)了以往防丟定位系統(tǒng)的缺陷，真正實現(xiàn)無輻射、高效節(jié)能的防丟定位功能，具有一定的市場前景。

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（責(zé)任編輯：朱彬）

The Low Radiation Positioning Detection System Based on Integrated Module Designing

XIONG Zhong-gang
（College of Engineering and technology，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

In order to grasp the current position of the anti-lost items，and meet the requirements of no radiation and high efficiency and energy saving，a wireless non radiation children's anti-lost positioning system based on GPRS-GPS-GSM is designed.The positioning system is close to receiving radio signals based on the master-slave module Si4432 RF modules for communication between the strength ofthewireless signal；longstandby passivepositioning is taken；distance collectlocation information using GPS/GSMdualpositioning；remote wireless data are transmitted to user terminal；meanwhile，the use of the double-effect energy-saving adjustment algorithm for DVS-DPM and dynamic the hibernation communication algorithm（dynamic Sleep communication algorithm DSCA）are used to wireless communication，allowing the system to achieve the best anti-lost energy saving effect.

no radiation；positioning system；energy-saving algorithm；GSM；GPRS；GPS

TN76

A

1009-3583（2016）-0097-05

2015-11-25

貴州省教育廳青年基金項目（黔教合KY字［2015］457號）；遵義師范學(xué)院教研基金項目（［15-01］號）；貴州省級重點學(xué)科資助課題（黔學(xué)位辦［2013］18號）

熊中剛，男，湖南常德人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院講師，碩士，主要從事電氣自動化和智能控制研究。