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      基于集成模塊的超低輻射定位檢測系統(tǒng)設計

      2016-10-15 10:20:00熊中剛
      遵義師范學院學報 2016年3期
      關鍵詞:處理單元射頻無線

      熊中剛

      (遵義師范學院工學院,貴州遵義563002)

      基于集成模塊的超低輻射定位檢測系統(tǒng)設計

      熊中剛

      (遵義師范學院工學院,貴州遵義563002)

      為實時掌握兒童當前位置,同時滿足無輻射和高效節(jié)能的要求,設計了一款基于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弱,采取超長待機被動接收無線信號的定位方式;遠距離運用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)對無線通信進行處理,使系統(tǒng)達到最佳防丟節(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險,無線輻射還可殺死腦細胞,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,導致父母對這些產(chǎn)品的使用具有強烈的戒備心理[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的系統(tǒng)節(jié)能,文獻[4]提出了一種靜態(tài)分配和動態(tài)調(diào)整相結合的節(jié)能調(diào)度策略,文獻[5]針對有相同截止期的實時周期任務的不同能量特性,利用二叉搜索策略提出了一種降低能耗的方法。綜合當前研究現(xiàn)狀,本文采用DVS-DPM和動態(tài)休眠通信算法,設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)總體結構及工作原理

      系統(tǒng)由主模塊和從模塊兩部分組成,總體結構框圖如圖1所示。主模塊負責發(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。從模塊負責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)總體結構框圖

      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)絡信號,則定位單元一直處于關機狀態(tài),不產(chǎn)生任何無線電輻射,當Si4432無線接收單元在設定時間內(nèi)未接收到聯(lián)絡信號時,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前定位信息通過GPRS發(fā)送到服務器或通過GSM發(fā)送到設定的告警號碼,告知用戶從模塊的當前位置。

      2 硬件電路設計

      2.1主模塊硬件電路設計

      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行設計,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STC11L04E,用于對獲得的信號啟動命令進行分析處理,對Si4432進行功能設置、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信號強弱,通過中央處理器的控制命令自適應開啟 GPS和GSM定位功能,GPS完成信息接收功能,GSM完成網(wǎng)絡定位功能,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。

      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 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行位置判斷,當在設定時間內(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,配置相應寄存器,使單片機的 P33腳電壓升高,通過檢測按鍵啟動Si4432無線發(fā)射單元進入相應信號發(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傳到服務器或由GSM傳到設定的號碼。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)轉換需要消耗一定能量,且有時延,當CPU結合DPM處理無線通信模塊幾種狀態(tài)之間的轉換時,只有狀態(tài)間轉換時消耗的能量基本等于設備進入低功耗休眠狀態(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)轉換與能量變化的關系。

      圖6 狀態(tài)轉換與能量變化關系曲線

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

      當系統(tǒng)從空閑狀態(tài)轉為休眠狀態(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)轉換時間間隔)T需大于某一時間Ti(進入休眠狀態(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)頻率設置為433MHz,分別在室內(nèi)、高大建筑物和空曠環(huán)境下進行定位測試試驗,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)包及準確率看,可以保證能夠準確地發(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)間轉換,且在滿足公式(2)條件下,經(jīng)計算狀態(tài)轉換時間應滿足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,大大降低了設備功耗,且休眠時間越長,功耗越低。

      表3 不同休眠時間對應平均電流值

      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)點的初始能量都設為1J,實驗測試運行3600s,試驗結果如圖7所示。由圖7可知,經(jīng)DSCA和DVS-DPM處理后的設備節(jié)能效果明顯。

      圖7 能量消耗比較圖

      5 結論

      作者設計了一種基于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無線模塊超長待機的被動信號接收方式和遠距離運用GPS定位技術,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。

      [1]E W T Ngai,T C E Cheng,S Au,et al.Mobile commerce integrated with RFID technology in a container depot[J].Decision Support Systems,2007,43(1):62-76.

      [2]H K H Chow,K L Choy,W B Lee,et al.RFID integration of web-based and RFID technology invisualizing logistics operations―a case study[J].Supply Chain Management:An International Journal,2007,12(3):221-234.

      [3]王永,趙俊逸.基于RFID近距離電子防丟報警器設計[J].計算機與數(shù)字工程,2008,20(6):214-217.

      [4]劉寧.動態(tài)休眠通信算法設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2012,40(8):5042-5043.

      [5]劉磊,陳棟梁,趙宏偉,等.基于ARM11和Zigbee的人員定位防丟器[J].赤峰學院學報(自然科學版),2012,(17):335-339.

      [6]Attaran M.An enabler of supply chain operations[J].Supply Chain Management:An International Journal,2007,12(4):249-257.

      [7]李碩,馮玉娟.由AT89C52單片機組成的智能呼救系統(tǒng)設計[J].自動控制與儀器儀表,2008,16(8):157-162.

      [8]朱建新,高蕾娜,田杰,等.基于Zigbee技術的老年人防走失裝置[J].計算機工程與科學,2009,31(5):144-146.

      (責任編輯: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);遵義師范學院教研基金項目([15-01]號);貴州省級重點學科資助課題(黔學位辦[2013]18號)

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

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