陳裕桂，羅 靜，宋 艷，鄭娜娜，趙承鑫

（荊楚理工學院電子信息工程學院，湖北荊門 448000）

0 引言

隨著科技發(fā)展的浪潮愈發(fā)猛烈，各式各樣的科技產品出現(xiàn)在大眾眼前，互聯(lián)網搭建起的微型虛擬社會也日益興起。人們在虛擬網絡上獲取大量碎片信息，擴大了自身的知識儲備，以一定的高度對當今科技發(fā)展提出了更多的要求。智能雨傘是在互聯(lián)網的影響之下物聯(lián)化體現(xiàn)。近年來，隨著人們的生活水平的提高，科學技術的提高和人們對這個面部的這個年輕化的重視，防曬提到了越來越高的重視的程度，此時雨傘不僅一直是人們在雨天出行時最常用來遮風擋雨的器具，還成為了硬防曬工具中的主力軍。然而，關于雨傘一直存在如下幾個問題，例如，一部分人在雨雪天氣總忘記攜帶雨傘；夜間行路左手持傘，右手照明極其不便；收起雨傘造成地面積水，以致發(fā)生滑倒、絆倒等意外[1]。本文為切實解決上述問題，研究一種基于GPS的智能夜行傘。

國內外對于智能雨傘的研究現(xiàn)狀主要有4 點：一是“天氣預測”[2]，即App 會根據用戶所設定的地點自動定位，給出天氣預測；二是“GPS定位”[3]，即雨傘與手機相距大于10 m，手機就能收到鈴聲提示；三是“環(huán)境感知”[4]，即雨傘功能可以隨周邊環(huán)境的變化而變化；四是“智能懸浮”[5]，即解放雙手，使雨傘懸浮在空中，造福懶人。本文取其第二點“GPS 定位”為出發(fā)點展開研究，加上“夜行”和“速干”兩個創(chuàng)新點，從機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個方面來研制一種基于單片機實現(xiàn)GPS 定位功能、加裝手電筒、更換高密度傘布的一種方便夜間雨天出行的智能雨傘。其中機械結構主要包括甩水結構、光感結構的設計，使雨傘可以一鍵甩干和照明，在使用雨傘時能夠擺脫地面積水，方便雨夜行路?？刂葡到y(tǒng)即定位結構，其包括了NEO-6/7M GPS 模塊、單片機STC89C52 設計組成模塊，通過模塊組成的結構可以實現(xiàn)雨傘防丟功能。

本文希望解決兩個關鍵問題：一是如何利用單片機實現(xiàn)GPS 定位功能；二是如何調試GPS 裝置的靈敏度。預期的結果是設計完成系統(tǒng)硬件和軟件，實現(xiàn)相應功能。

1 系統(tǒng)的設計

本設計提出的GPS定位智能夜行傘主要由電源模塊、顯示模塊、復位電路模塊和定位控制模塊組成，可以實現(xiàn)定位、速干、夜行等功能。

1.1 系統(tǒng)外觀結構設計

普通雨傘的功能是供人遮陽避雨，傘面是傘部件中最重要的部分，承擔遮雨的重要責任，傘骨撐開傘面，傘柄支撐全傘并結合傘把手與人形成一體。傘把是人撐傘時手握的部位，其相比于傘面?zhèn)愎堑目筛膭拥目臻g較大?？梢钥紤]在傘把中加入可實現(xiàn)、可操作的功能器件，以達到設計期望。

本系統(tǒng)在傘把內部加入NEO-6/7M GPS 模塊、單片機STC89C52 和LCD12864 設計組成模塊以實現(xiàn)雨傘的定位功能；加入電源模塊以實現(xiàn)雨傘的光照夜行功能；傘桿內部模塊由移動開關、鋼絲繩、上下軸承、齒輪和傳動鏈組成，實現(xiàn)雨傘的一鍵開傘功能?？紤]到傘把內部空間小，無法容納大量模塊，將傘把部分加寬加長形成方形傘把，不僅在外觀設計上獨特且時尚，又可以使傘把承載大量模塊，具體設計如圖1 所示。傘把和傘座的內表面覆蓋一層隔絕膜，可以防止雨水浸入，損害內部模塊。

圖1 外觀結構設計

1.2 系統(tǒng)功能設計

1.2.1 硬件電路模塊設計

首先介紹夜行功能模塊，其中包含電源模塊、彈簧、聚焦反射鏡等形成一個照明系統(tǒng)。定位功能內部模塊系統(tǒng)設計主要由電源電路、復位電路、時鐘電路、串口通信電路、GPS接收模塊[6]、LCD12864 顯示電路6 個部分組成。電源電路為系統(tǒng)提供電源，復位電路用于單片機的初始化操作，時鐘電路是單片機工作在統(tǒng)一的時鐘脈沖。GPS 接收模塊由GPS 接收電路和GPS 接收天線組成。GPS 接收機用于接收GPS 衛(wèi)星信號，并將接收到的信息通過串口通信方式發(fā)送到單片機中。單片機通過軟件程序對接收到的GPS定位信息進行計算解析，并將解析的結果通過LCD12864 顯示，由此達到定位作用。系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計框圖

1.2.2 軟件編程設計

本系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示，工作流程圖主要描述定位功能和夜行功能兩個部分。各個按鍵對應不同功能，系統(tǒng)初始化按鍵按下后，軟件開始初始化運行，系統(tǒng)開始初步實現(xiàn)其相應功能。定位按鍵被按下后，系統(tǒng)開始讀取雨傘停留點處的經緯度，讀取成功后便可獲取GPS 數(shù)據。判斷語句對所獲得GPS數(shù)據進行進一步的判斷，判斷GPS數(shù)據檢測是否超出了規(guī)定次數(shù)以及GPS數(shù)據是否為準確有效的數(shù)據，若數(shù)據無誤，再將對照所得數(shù)據和設置好的停留點經緯度，將兩點位置進行比較后，計算角度，點陣動態(tài)顯示點陣方向，若數(shù)據存在誤差，點陣將提示“獲取信息失敗”，再次獲取并判斷一輪數(shù)據；手電開關按鍵被按下后，系統(tǒng)進行簡單判別，實現(xiàn)燈亮或燈滅的操作。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 GPS定位

GPS 定位[7]是一門用于對一些設備和人、車、寵物等移動的物體進行遠距離在線定位監(jiān)控的技術。GPS 定位是結合了無線通信技術、GPS 技術[8]、圖像處理技術及GIS 技術中的定位技術，GPS 監(jiān)控中心能夠全天候24 小時監(jiān)控所有被控雨傘的實時位置、前進方向和前進速度，以便最及時地掌握被控雨傘的實時狀況[9]。GPS 的空間分布是由24 顆GPS 工作衛(wèi)星所組成，這些GPS 工作衛(wèi)星共同組成了GPS 衛(wèi)星星座，其中21 顆為可用于導航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6 個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為12 恒星時。每顆GPS 工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導航定位的信號。GPS 用戶正是利用這些信號來進行工作的。定位結構主要包含NEO-6/7M GPS 模塊，模塊加裝于傘柄底蓋部位，不影響用戶日常使用。本系統(tǒng)的MCU 和定位功能是利用STC89C52RC 單片機[10]實現(xiàn)的，LM7805 三端穩(wěn)壓芯片被用來將電源電池電壓轉換為+3.3 V 的電壓，提供給單片機供電。GPS 模塊接收到數(shù)據后傳輸給STC89C52單片機，STC89C52單片機處理后將采集到的信息實時顯示到LCD12864 顯示屏上。下載電路與串口p3.0相連接。在程序燒錄軟件中下載與應用相關的程序后，目標芯片上電，單片機與設備成功握手后，按下相關按鈕，開始定位并在LED顯示屏上顯示對應信息，如實時經緯度、設置停留點、提示等[11-12]。

2.2 夜行

該功能選用工作電壓為3 V 的LED 燈膽，2 節(jié)7 號干電池做電源。燈體加裝在雨傘傘柄尾部。

本系統(tǒng)雨傘手柄區(qū)別于傳統(tǒng)的自動按鈕手柄，全新自動手柄添加了夜晚照路功能，大大方便了用戶夜間出行。傘柄與電源部分用螺紋相連接，以便更換電池。螺紋末端加置橡膠圈，防止雨水滲入。LED 燈的燈罩采用有機玻璃，有效提升防水功能。

2.3 速干

該功能采用高密度優(yōu)質傘布-尼龍布、疏水性傘面材料、碳鋼骨架等工藝結構。尼龍布布質較輕，手感柔軟，表面反光，冷漲熱縮能力一般，適用于直身或折身雨傘。雨傘結構整體作用以提高雨傘安全耐用性，雨水在傘布上形成水珠，進而在進入室內前雨傘可實現(xiàn)一鍵甩干功能，地面積水大幅度減少，減少打掃工作。

3 測試數(shù)據

3.1 定位功能測試

經測試，到達指定位置（如“南一門”）時，按下P1.1對應按鍵，LED 顯示屏顯示“獲取經緯度”、“南一門，到了”，系統(tǒng)開始檢測是否超出檢測次數(shù)，本次檢測結束后，再檢測所得數(shù)據是否為有效數(shù)據，最后檢測指定位置停留點與當前位置經緯度并判斷是否到達停留點。系統(tǒng)一輪檢測結束后，若定位成功，則顯示對應點的具體經緯度；若定位失敗，則不顯示相應數(shù)據。定位功能測試數(shù)據，如表1所示。

表1 定位功能測試數(shù)據

3.2 夜行與速干功能測試

在雨雪天下午18：00、晚間20：00、晚間22：00、凌晨00：00，在戶外正常光照處使用本傘，打開夜行燈設計，觀察其光照范圍、光照距離以及電子器件防水情況。經測試，隨時間推移，光照范圍逐漸減小、光照距離逐漸降低、電子器件防水情況良好。夜行與速干功能測試數(shù)據，如表2所示。

表2 夜行與速干功能測試數(shù)據

在雨傘上均勻噴灑自來水，自動開合雨傘觀察其甩水情況。經測試，自動開合后，可甩去大部分水，并不能完全甩干傘面水分。

經過測試數(shù)據分析，本設計各方面指標均能夠達到要求，說明設計性能穩(wěn)定，功能可實現(xiàn)。

4 結束語

本設計是在雨傘傘柄把手處添加由單片機實現(xiàn)的GPS定位器，有了定位器，便可以輕松實現(xiàn)雨傘防丟的功能。以及將普通把手改裝為手電筒把手，雨夜間出行天黑路滑，雨傘自帶發(fā)光功能，照見周邊路況，有效降低出行風險。高密度優(yōu)質傘布，疏水性傘面材料，碳鋼骨架等工藝結構提高雨傘安全耐用性，雨水在傘布上形成水珠。進入室內前一鍵甩干，地面積水大幅度減少，降低打掃力度。基于這種雨傘，用戶只需花費較低的費用便可享受高效、便捷的智能化功能，不僅大大提高了人們的生活質量，還順應了科技發(fā)展的浪潮，故本項目具有理論研究意義和可應用價值。