基于物联网的户外人员安全智能辅助便携设备的设计

李鹏威 兰小方 赵悦

摘 要：为了提高户外旅游和探险等人员外出的安全性，本文设计了一种基于物联网的户外人员安全智能辅助便携设备。设备系统以ARM架构Cortex-M3内核的ST公司生产的一款芯片型号为STM32F103ZET6的单片机为控制核心模块，采用DWM1000射频模块的定位系统和以其标签进行路径数据采样并且计算路径相关参数，并通过MPU6050六轴陀螺仪传感器记录行程行进方位，在TFT-9325电阻版液晶屏进行数据显示以及地图显示。同时系统包括语音识别控制功能。

关键词：物联网;单片机;定位

引言

亲临大自然的户外旅游和探险运动已逐渐成为了目前人们喜欢的休闲和运动方式^[1]，人们在户外运动和挑战自然界的同时，也经常会遇到一些如迷路或受天气环境等意外险情^[2]。为了提供户外运动人员的安全保护措施，利用物联网、嵌入式系统等技术开发户外人员安全所需的随身设备已成为人们重点关注的问题^[3]。

一、方案设计

本系统的定位原理是将一个DWM1000模块视为标签， 以其中其他任意两个模块视为基准点，然后把所测量的各个模块之间的距离带入标签的运动轨迹方程，便能实时的计算出标签相对于基准点的位置，并在TFTLCD液晶显示屏上进行显示。利用MPU6050六轴陀螺仪传感器模块获得将方位数据，发送至单片机，单片机进行数据处理和运算，再将方向数据转化为一个可直接观察的三角形箭头，并在液晶显示屏上动态显示。系统的路径规划算法是通过获取当前所在地图中的位置坐标和MPU6050六轴陀螺仪传感器模块所测得的方位以及目的地所在的位置坐标来计算出最优路径的。系统又利用语音控制模块开发了语音交互功能，增加用户使用的便捷性。图1为系统总体方案图。

二、功能设计

基于物联网的户外人员安全智能辅助便携设备系统包括语音播报模块、陀螺仪模块、温度采集模块、数据存储模块、路径规划模块、定位模块、地图显示模块、路径方位指示模块。本系统打破了传统网络规划路径的方式，利用无线通信进行二次开发使其进行有效定位为旅游者/探险者的户外安全提供了更加有效的保障。

1.定位功能：本文利用系統定时器来测量它们在单次通信过程中接收数据的时间偏差来计算电磁波在空气中飞行的时间，为了减少各个模块之间因为时钟源的偏差而导致所测电磁波飞行时间出现较大误差，本文又在模块与模块之间多增加了一次通讯，两次通讯的时间可以互相弥补因为时钟偏移引入的误差，此后把所测得的电磁波飞行时间发送至设备主控模块STM32F10ZET6单片机，单片机进行数据处理并计算出各个模块之间得距离。该功能大大提高了系统的定位准确率。

2.方位指示：通过方位显示能够给用户提供更加清楚的方位变化，为用户的行走提供了高效保障。方位显示采用了MPU6050六轴陀螺仪传感器模块，该模块将方位数据发送至单片机，单片机进行数据处理和运算，并把方向数据转化为一个可直接观察的三角形箭头，并在TFTLCD液晶显示屏上显示出来。

3.路径规划：路径规划算法是通过获取当前所在地图中的位置坐标和MPU6050六轴陀螺仪传感器模块所测得的方位以及目的地所在的位置坐标来计算出最优路径。通过路径规划用户可快速的到达自己所到达的地方或回到原始点。

4.语音识别：通过语音识别模块系统可识别出用户的语音信息，如目的地的名称等，并以此自动规划出一条可行的行进路线，然后在TFTLCD液晶屏上实时的显示出行进路线和用户当前所在位置。该功能使用户的操作更加方便。

5.语音播报：系统通过语音播报模块可播报当前的地理位置、路径状态、环境温度等信息，及时提供给外出旅游者或探险者所需的安全信息。系统内置DS18B20温度采集模块采集当前的温度。

结论

本系统的设计能为户外旅游/探险等人员实时提供路径、准确定位方向和环境温度等信息，并具有语音交互功能，带来便捷性的同时也提高了户外人员的安全保障性。

参考文献

[1] 蔡占菲，赵颖辉.基于北斗的户外探险运动遇险应急终端的设计[J].通讯世界，2017（3）：262-263.

[2] 张倩，周宇，吴婷.基于北斗定位技术的移动健康监测系统[J].通讯世界，2016（8）：251-252.

[3] 宋海永. 基于户外运动的便携式生命健康系统开发[D].山东大学，2014.