范整整，萬(wàn) 濤，趙詩(shī)婷

（華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引 言

隨著生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大，人們將投入更多精力忙于工作和家務(wù)，家中的老人、兒童、智障者等特殊群體很難得到細(xì)致的照顧，意外走失現(xiàn)象頻頻發(fā)生。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的今天，借助科技手段實(shí)現(xiàn)特殊群體的定位監(jiān)護(hù)[1-3]可以極大地減輕監(jiān)護(hù)人的壓力?；诖?，本文提出了一種基于微信小程序的特殊群體定位器設(shè)計(jì)[4-5]。監(jiān)護(hù)人通過(guò)微信小程序不但可以隨時(shí)查看特殊群體目標(biāo)的位置信息，還可以為特殊群體設(shè)置警戒區(qū)域，系統(tǒng)檢測(cè)到特殊群體目標(biāo)所在位置超出警戒區(qū)域后，便向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送提醒信息，提前預(yù)警可能發(fā)生的意外。特殊群體亦可通過(guò)定位器主動(dòng)向監(jiān)護(hù)人呼救。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)核心是設(shè)計(jì)一款能夠幫助監(jiān)護(hù)人更高效靈活地監(jiān)控特殊群體的微信小程序系統(tǒng)，分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩部分。硬件部分即定位器終端通過(guò)GPS定位模塊（GT-U7）[6]實(shí)現(xiàn)特殊人群的位置信息采集。將收集的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送引腳發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理成字符形式，并通過(guò)NB-IoT將數(shù)據(jù)發(fā)送到微信小程序后臺(tái)[7]，微信小程序在服務(wù)器上獲取定位數(shù)據(jù)。按鍵產(chǎn)生中斷，單片機(jī)將信息發(fā)送到服務(wù)器，監(jiān)護(hù)人可在微信小程序上收到特殊群體的SOS呼救信息。軟件部分采用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，主要包括三個(gè)頁(yè)面：登錄頁(yè)面、地圖主頁(yè)面、個(gè)人中心頁(yè)面，其中地圖主頁(yè)面包含了實(shí)時(shí)監(jiān)控位置的按鈕及地圖上顯示的安全圍欄（系統(tǒng)采用電子圍欄技術(shù)規(guī)劃警戒區(qū)域范圍）。系統(tǒng)包括下列功能模塊。

（1）定位模塊。該模塊使用GPS定位系統(tǒng)制作硬件控件，設(shè)計(jì)使用高靈敏度、低功耗的輕便GT-U7模塊對(duì)特殊人群進(jìn)行定位。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。該模塊使用WH-NB75與微信小程序進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)特殊人群走失時(shí)，通過(guò)NB-IoT（WH-NB75）模塊發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后使用微信小程序進(jìn)行定位查找。

（3）SOS呼救模塊。當(dāng)特殊人群按下定位器按鍵后，單片機(jī)發(fā)出中斷提醒，向NB-IoT模塊傳送數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到信息后在微信小程序上提醒監(jiān)護(hù)人特殊人群目標(biāo)正在呼救。

（4）安全圍欄模塊。監(jiān)護(hù)人設(shè)置電子圍欄，服務(wù)器會(huì)向定位器發(fā)送相應(yīng)的電子圍欄數(shù)據(jù)，定位器獲取到該指令后保存數(shù)據(jù)。當(dāng)定位器的活動(dòng)范圍超過(guò)警戒區(qū)域時(shí)，定位器自動(dòng)在微信小程序上提醒監(jiān)護(hù)人特殊人群目標(biāo)已超出安全區(qū)域。

系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括STC15單片機(jī)、GT-U7、WH-NB75、按鍵以及其他電子元件。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 定位模塊

GT-U7發(fā)送GPS數(shù)據(jù)至單片機(jī)的過(guò)程：GT-U7的TX引腳與單片機(jī)的RX引腳相接，初始化單片機(jī)和GT-U7，通過(guò)配置軟件將串口的波特率設(shè)置為9 600 b/s，選擇串行端口的工作方式和中斷模式。GPS與單片機(jī)通信成功即可實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)的功能。

2.2 單片機(jī)模塊

STC單片機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)的過(guò)程：首先識(shí)別數(shù)據(jù)串中的第一個(gè)數(shù)據(jù)，如果正確，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，否則向GPS模塊報(bào)告錯(cuò)誤，并重新接收新的數(shù)據(jù)。如果接收的數(shù)據(jù)幀正確，則對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為字符形式并顯示。STC15接收定位數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 STC15接收定位數(shù)據(jù)流程

單片機(jī)處理GT-U7傳來(lái)的定位信息的過(guò)程：獲取時(shí)間戳，然后將世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間hhmmss（時(shí)分秒）格式轉(zhuǎn)換為HH：MM：SS格式。之后處理接收器中的位置數(shù)據(jù)，首先區(qū)分南北緯度，之后區(qū)分東西經(jīng)度。

2.3 數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

NB-IoT選用數(shù)據(jù)傳輸終端WH-NB75發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，利用CoAP透?jìng)髂Ｊ奖ＷC數(shù)據(jù)的完整傳輸。透明傳輸模式是指對(duì)傳輸數(shù)據(jù)中的起始符與終止符視而不見(jiàn)。數(shù)據(jù)通過(guò)透明傳輸云從串口傳輸?shù)皆品?wù)器之前，需要對(duì)WH-NB75進(jìn)行簡(jiǎn)單配置。依次將NB75插到評(píng)估板插座上，將計(jì)算機(jī)與評(píng)估板用串口線(xiàn)連接，將SIM卡插到卡槽中，將天線(xiàn)連接到模塊上，使用配置軟件進(jìn)行串口波特率、服務(wù)器地址、端口號(hào)的配置。配置完成，便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。

2.4 按鍵求救模塊

該模塊功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)STC15單片機(jī)的外部中斷機(jī)制。按下定位器端的按鍵，觸發(fā)中斷，由單片機(jī)進(jìn)行中斷處理，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，之后單片機(jī)發(fā)送提醒信息給云服務(wù)器，微信小程序通過(guò)云服務(wù)器獲取提醒特殊人群走失的提示信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件部分設(shè)計(jì)流程

本課題軟件部分為微信小程序，注冊(cè)微信小程序后，進(jìn)行騰訊云開(kāi)發(fā)的申請(qǐng)，申請(qǐng)通過(guò)后便能夠連接硬件和小程序。開(kāi)通云開(kāi)發(fā)功能之后，創(chuàng)建NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，申請(qǐng)騰訊地圖使用權(quán)限后便能在微信小程序中編寫(xiě)地圖相關(guān)代碼。

3.2 軟件相關(guān)配置

云開(kāi)發(fā)空間通常使用NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)[8-9]，該數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)以集合為單位進(jìn)行屬性存儲(chǔ)，更易于實(shí)現(xiàn)高性能、高擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)location集合進(jìn)行硬件定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，便于小程序端讀取定位數(shù)據(jù)。首先設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的環(huán)境，本系統(tǒng)自定義開(kāi)發(fā)環(huán)境為prventpersonlose-998sn；然后創(chuàng)建一個(gè)location集合進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，其中記錄id由云端自主生成機(jī)器碼，作為記錄的唯一區(qū)分，同時(shí)設(shè)定記錄id為SOS的Boolean變量作為緊急求救按鈕變量，實(shí)現(xiàn)按鍵求救功能。

本系統(tǒng)需要用到安全圍欄以及位置移動(dòng)等高端地圖功能。騰訊地圖可以提供多種開(kāi)發(fā)工具與服務(wù)[10]，因此考慮申請(qǐng)騰訊地圖API來(lái)獲取更高端的函數(shù)對(duì)地圖進(jìn)行展示。

3.3 小程序界面與功能實(shí)現(xiàn)

（1）小程序?qū)崟r(shí)顯示位置功能

本系統(tǒng)的核心是定位。定位功能主要通過(guò)定位器終端GPS實(shí)現(xiàn)，與騰訊云函數(shù)建立連接之后將定位相關(guān)信息及時(shí)傳輸，云函數(shù)將硬件信息進(jìn)行解析后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。此時(shí)小程序每隔9 s就對(duì)被監(jiān)控端位置進(jìn)行一次服務(wù)器數(shù)據(jù)拉取。

（2）小程序安全圍欄功能

本系統(tǒng)中安全圍欄的實(shí)現(xiàn)主要借助騰訊地圖實(shí)現(xiàn)。Circles能夠在map上繪制一個(gè)半徑由用戶(hù)設(shè)定的圓圈，該圓圈能從視覺(jué)上實(shí)現(xiàn)安全圍欄的效果。本系統(tǒng)采用經(jīng)緯度兩點(diǎn)換算成直線(xiàn)距離的算法，對(duì)監(jiān)控端和定位器端的直線(xiàn)距離進(jìn)行換算，具體算法近似在一個(gè)球體上求兩點(diǎn)弧長(zhǎng)的算法。兩點(diǎn)間距離換算之后與圓的半徑進(jìn)行比較，便能夠知曉目標(biāo)人物是否走出了安全圍欄。

（3）緊急求救功能

在硬件部分設(shè)有緊急求救按鈕，當(dāng)按下按鈕之后，硬件端會(huì)與服務(wù)端建立連接，將信息傳輸?shù)皆坪瘮?shù)中進(jìn)行解析，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的SOS記錄，將SOS記錄設(shè)置為true。小程序端在拉取數(shù)據(jù)時(shí)判斷SOS記錄是否為true，如果記錄為true，則告知系統(tǒng)定位器端的求救按鍵已按下。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 實(shí)時(shí)定位功能

本系統(tǒng)需要手機(jī)用戶(hù)對(duì)微信開(kāi)啟位置權(quán)限，否則打開(kāi)小程序后地圖無(wú)法顯示。將手機(jī)定位功能開(kāi)啟之后，便能夠看見(jiàn)主頁(yè)面刷新出圖4所示的地圖，并且還能看到當(dāng)前用戶(hù)所處位置。

圖4 地圖界面

本系統(tǒng)調(diào)用了騰訊地圖，在小程序編寫(xiě)時(shí)要注意是否獲取到正確的Acckey，如果Acckey錯(cuò)誤將導(dǎo)致地圖無(wú)法加載。

4.2 安全警戒區(qū)域功能

點(diǎn)擊按鈕之后每隔9 s不僅會(huì)刷新被守護(hù)端的位置，同時(shí)還能夠?qū)Χㄎ黄鞫耸欠褡叱霭踩珖鷻?，是否點(diǎn)擊緊急求救按鈕進(jìn)行判斷，并發(fā)出警示。當(dāng)被定位器端走出安全圍欄時(shí)，會(huì)有彈窗提示用戶(hù)被監(jiān)控端已經(jīng)走出安全圍欄，如圖5所示。

4.3 按鍵提醒功能

當(dāng)定位器端點(diǎn)擊了緊急求救按鈕之后，就會(huì)在地圖主界面跳出彈窗，提醒定位器端正在緊急求救，如圖6所示。

圖5 超出安全圍欄范圍警示界面

圖6 SOS呼救界面

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于微信小程序的特殊群體防走失定位系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確定位被監(jiān)督人群，并在發(fā)生意外時(shí)及時(shí)提醒、報(bào)警。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。