基于GPS和GSM智能手杖的设计与实现
摘 要
设计并实现了一种基于GPS和GSM的智能手杖，并在Android平台上开发了手机App，在手机地图上显示出持杖者的位置，并提供监护人和持杖者之间的路线规划。手杖外置GPS有源天线，内置GPS、GSM、按键和液晶显示模块，具有GPS定位、GSM基站定位和无线通讯功能。通过STM32F103VET6对GPS数据和基站定位数据的实时处理，持杖者的位置信息可在液晶屏上显示出来。持杖者可以通过按键将定位信息通过GSM短信服务发送至手机终端，并通过GSM实现与手机终端语音通话。实验表明，手杖设计安全可靠，各模块性能稳定。手机终端App的开发，更加方便对持杖者的监护。
【关键词】全球定位系统 全球移动通信系统 安卓手机应用 智能手杖
目前，消费类电子产品朝着向智能化、便携式的方向发展，为生活带来诸多便利。研发智能手杖方面，日本研制一种内置卫星定位的安卓系统智能手杖，能够为持杖者导航，并有效监控心率和体温等生命特征。通过使用超声波测距技术，当手杖靠近障碍物时提示报警，手杖可以实现避障的功能；通过内置GPS模块和红外语音模块，手杖可实现定位和语音提示的功能；基于GPS定位技术、GSM无线通讯技术和单片机技术，设计并实现了一款具有GPS定位、GSM基站定位、短信、语音通话功能的手杖。同时，基于Android平台，开发出了手机终端应用软件。
1 系统设计方案
主控芯片选择STM32F103VET6[4]，其属于意法半导体（ST）公司的STM32系列微控制器， 具有Cortex-M3内核和最高72MHz的工作频率，同时拥有高速存储器（512KB Flash、64KB SRAM）、标准的通信接口（两个I2C接口、3个SPI接口、5个USART接口）。同时，芯片支持uC/OS-III实时内核，满足本设计的需要。
GPS模块芯片选用U-BLOX UBX-G6010，其嵌入了基于SiRFawareSiR技术的FstarIV定位架构，提供了较高品质的GPS定位功能。GPS天线采用GTKJ-GOS-001低外形有源薄型天线，内置微波天线屏蔽罩，增益为28±2db，典型噪声值为1.5db，驻波比小于1.5。
GSM模块芯片选用GSM&GPRS-M35，其支持850/ 900/ 1800/ 1900 MHz四个工作频段。同时，模块支持Text和PDU（Protocol Data Unit， 协议数据单元）两种发射模式，可实现短消息服务SMS（Short Message Service） 发送。模块内置音频功放，通过音频处理机制抑制回音和噪声，可实现较好的语音通话服务。除此之外，模块还具有尺寸小、低功耗和宽工作温度范围的优点。
通过耳机、话筒与GSM模块的连接，实现语音通话功能，通过键盘模块实现GSM短信发送和语音通话控制，通过液晶电路显示持杖者的位置。系统设计图见图1。
2 GPS模块设计
全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是一种以接收导航卫星信号为基础的非自主式导航与定位系统。其能够在全球范围内实时地提供高精度的三维位置（精度、纬度和海拔）、速度和时间信息，较好地解决了导航和定位问题。实际应用中，GPS接收机收到轨道卫星的信号后，经过解调输出的是标准格式的GPS定位数据，故需要对单片机串口接收到的数据进一步处理，从而准确的显示和发送有效定位信息。
GPS接口协议标准是NMEA0183协议，其定义了若干代表不同含义的语句，每个语句是一个ASCII码串。实验中，单片机串口接收到的语句包括GGA（位置测定系统定位数据）、GSV（导航卫星数据）、RMC（导航卫星特定精简数据）、VTG（方向及速度等相关数据）。GGA是GPS重要的修正数据，精确地提供了3D定位信息。设计中，直接从接收到的语句筛选出GGA定位数据，即可获得经度、纬度、海拔高度和时间信息。GGA数据格式见表1。
GPS数据流处理过程中，配置串口接收GPS数据速率为9600bps。当单片机串口获得到GPS数据后，首先判断所接收的数据第一个字符是否为’$’，如果是，则判断协议头是否是GPGGA。确认之后，再判断是否接收到校验码字段起始符，接收到则继续判断数据长度是否超出，如果没有超出，则提取数据当中的UTC时间、纬度值、精度值、海拔值以及海拔单位，将其存入到相应变量之中。
3 GSM模块设计
全球移动通讯系统（Global System for Mobile Communications，GSM），作为第二代移动通信技术，通过移动电话网络标准，使用户能够在全球范围内相互联系。单片机向GSM模块发送相应的AT指令和AT扩展控制指令，GSM可提供相应的语音通话、简单的短消息传送、图文信息和传真等服务。
经模块初始化操作后，发送指令“AT+IPR=115200”，设置固定波特率为115200bps，可进行基站定位、点对点短信发送和语音通话操作。
3.1 基站定位
首先发送命令“AT+QIFGCNT=0”，用以激活GPRS/CSD，如果返回OK”，则发送命令“AT+QIFGCNT=1， CMNET”，用以选择中国地区，如果返回OK，则发送“AT+QIFGCNT=4”，从而得到基站定位的纬度、经度和时间。实验中，发送“AT+QIFGCNT=4”后，得到返回数据为+QGSMLOC：0，104.302439，30.349175，2014/11/22，15：38：07，其具体信息如表2。判断第一个字符是否为0，如果不为0，则将其丢弃，反之，则继续判断数据长度是否超出特定长度，如果未超出，则存入相应的内存变量中。一般地，基站定位的数据精度不及GPS，但GSM提供的基站定位服务使用的范围更为宽广，而且不易受天气、高楼、位置等影响。因此，基站定位数据具有一定的参考意义。
3.2 点对点短信发送
通过服务中心（SC），SMS提供了一种在GSM 移动站台（MS）与短消息实体（SME）之间传送短消息的方法。点到点短消息服务包含移动接收（SMS-Submit）和移动发送（SMS-Deliver）两个基本服务。实验中，将GPS和基站定位的数据通过GSM模块实现短信点对点发送。GSM短信发送有两种模式：PDU模式和Text模式。相比Text模式，PDU模式支持中文短信发送。设计中，采用PDU短信发送模式。具体的编码转换过程如下：
（1）首先，根据ASCII码大小，判断所要发送的字符为英文还是中文字符。
（2）对于英文字符，可将其8位ASCII码扩展转换为16位字符串；对于汉字，先将汉字的GB2321编码转换为Unicode编码，再将Unicode编码转换为16bit编码。
（3）由于系统未提供GB2321编码到Unicode编码的转换函数，所以先将转换表存储到ROM中，再通过查询法找到GB2321编码对应的Unicode编码。找到之后，则将查找到的16位整数转换为16进制的ASCII码字符串。
点对点短信发送的过程中，首先，配置发送所用到的字符集为GSM，并设置短信采取PDU发送模式。其次，发送指令“AT+CSCA？”获取服务中心号码并判断其是否有效，如果无效，则重新获取，反之，则对GPS和GSM的有效定位信息进行相应编码，编码完成后，按照一定的格式发送指令。如果返回“OK”，则发送结束，反之，则重新发送指令。
3.3 语音通话
通过发送相应AT指令实现对终端的呼叫、应答和挂断。发送指令ATD+手机号码，可实现对任意手机终端的呼叫；当任意手机终端呼叫本机时，通过发送指令“ATA”实现应答，或通过发送指令“ATH”实现挂机。
4 手机终端App设计
该手机终端App设计主要是通过处理接收到的持杖者短信，获取持杖者的位置。同时，通过手机GPS服务获取手机用户者的位置，将监护人和持杖者的位置在手机地图上标定，并规划、显示出二者间的最佳路径。
App设计框图如图2所示。打开手机终端App后，toast提示开启手机数据流量和GPS服务。通过点击定位按钮，监护人当前位置可以在地图上标定出来，通过坐标位置变换，将其作为起点位置。通过监听短信收件箱，判断接收到来自已知号码的短信，得到短信内容后，通过数据闭包处理，得到持杖者经纬度信息，再将经纬度信息通过百度地图API的反编码类，通过检索，将坐标转换为地址，并在地图上标定出持杖者当前位置，通过坐标位置变换，将其作为终点位置。点击路线查询按钮，起点到终点的最短路径可在主界面中显示出来。
5 结论
随着大量传感器技术的融入和无线通讯技术的迅速发展，手杖的功能必然朝着丰富多样的方向发展。如今，智能手杖的发展将更多地融入无线通讯技术及传感器技术，更加方便人们的生活。为了满足特殊人群的需要，手杖将更多的融入定位、健康状况检测等要素，以应对某些突发事件。设计所实现的GPS和GSM定位以及短信发送、语音通话功能，以及基于Android平台开发出的手机终端应用软件，对智能产品的研发与生产具有一定的借鉴意义。
参考文献
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[2]孙涛，丁炀柳，周炯，李佳，陈云浩，杨永明.一种多功能辅助手杖的设计[J].电子制作，2013（8）：62-63.
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[8]M35_AT指令集详解[S].上海移远通信技术有限公司，2011.
作者简介
朱劲夫（1995-），男，山西省永济市人。现为成都理工大学核技术与自动化工程学院在读本科生，主要从事测试计量技术与仪器方向的研究。
作者单位
成都理工大学 四川省成都市 610051
