GPS定位智能夜行伞*

陈裕桂，罗 静，宋 艳，郑娜娜，赵承鑫

（荆楚理工学院电子信息工程学院，湖北荆门 448000）

0 引言

随着科技发展的浪潮愈发猛烈，各式各样的科技产品出现在大众眼前，互联网搭建起的微型虚拟社会也日益兴起。人们在虚拟网络上获取大量碎片信息，扩大了自身的知识储备，以一定的高度对当今科技发展提出了更多的要求。智能雨伞是在互联网的影响之下物联化体现。近年来，随着人们的生活水平的提高，科学技术的提高和人们对这个面部的这个年轻化的重视，防晒提到了越来越高的重视的程度，此时雨伞不仅一直是人们在雨天出行时最常用来遮风挡雨的器具，还成为了硬防晒工具中的主力军。然而，关于雨伞一直存在如下几个问题，例如，一部分人在雨雪天气总忘记携带雨伞；夜间行路左手持伞，右手照明极其不便；收起雨伞造成地面积水，以致发生滑倒、绊倒等意外[1]。本文为切实解决上述问题，研究一种基于GPS的智能夜行伞。

国内外对于智能雨伞的研究现状主要有4 点：一是“天气预测”[2]，即App 会根据用户所设定的地点自动定位，给出天气预测；二是“GPS定位”[3]，即雨伞与手机相距大于10 m，手机就能收到铃声提示；三是“环境感知”[4]，即雨伞功能可以随周边环境的变化而变化；四是“智能悬浮”[5]，即解放双手，使雨伞悬浮在空中，造福懒人。本文取其第二点“GPS 定位”为出发点展开研究，加上“夜行”和“速干”两个创新点，从机械系统和控制系统两个方面来研制一种基于单片机实现GPS 定位功能、加装手电筒、更换高密度伞布的一种方便夜间雨天出行的智能雨伞。其中机械结构主要包括甩水结构、光感结构的设计，使雨伞可以一键甩干和照明，在使用雨伞时能够摆脱地面积水，方便雨夜行路。控制系统即定位结构，其包括了NEO-6/7M GPS 模块、单片机STC89C52 设计组成模块，通过模块组成的结构可以实现雨伞防丢功能。

本文希望解决两个关键问题：一是如何利用单片机实现GPS 定位功能；二是如何调试GPS 装置的灵敏度。预期的结果是设计完成系统硬件和软件，实现相应功能。

1 系统的设计

本设计提出的GPS定位智能夜行伞主要由电源模块、显示模块、复位电路模块和定位控制模块组成，可以实现定位、速干、夜行等功能。

1.1 系统外观结构设计

普通雨伞的功能是供人遮阳避雨，伞面是伞部件中最重要的部分，承担遮雨的重要责任，伞骨撑开伞面，伞柄支撑全伞并结合伞把手与人形成一体。伞把是人撑伞时手握的部位，其相比于伞面伞骨的可改动的空间较大。可以考虑在伞把中加入可实现、可操作的功能器件，以达到设计期望。

本系统在伞把内部加入NEO-6/7M GPS 模块、单片机STC89C52 和LCD12864 设计组成模块以实现雨伞的定位功能；加入电源模块以实现雨伞的光照夜行功能；伞杆内部模块由移动开关、钢丝绳、上下轴承、齿轮和传动链组成，实现雨伞的一键开伞功能。考虑到伞把内部空间小，无法容纳大量模块，将伞把部分加宽加长形成方形伞把，不仅在外观设计上独特且时尚，又可以使伞把承载大量模块，具体设计如图1 所示。伞把和伞座的内表面覆盖一层隔绝膜，可以防止雨水浸入，损害内部模块。

图1 外观结构设计

1.2 系统功能设计

1.2.1 硬件电路模块设计

首先介绍夜行功能模块，其中包含电源模块、弹簧、聚焦反射镜等形成一个照明系统。定位功能内部模块系统设计主要由电源电路、复位电路、时钟电路、串口通信电路、GPS接收模块[6]、LCD12864 显示电路6 个部分组成。电源电路为系统提供电源，复位电路用于单片机的初始化操作，时钟电路是单片机工作在统一的时钟脉冲。GPS 接收模块由GPS 接收电路和GPS 接收天线组成。GPS 接收机用于接收GPS 卫星信号，并将接收到的信息通过串口通信方式发送到单片机中。单片机通过软件程序对接收到的GPS定位信息进行计算解析，并将解析的结果通过LCD12864 显示，由此达到定位作用。系统设计框图如图2所示。

图2 系统设计框图

1.2.2 软件编程设计

本系统的工作流程如图3 所示，工作流程图主要描述定位功能和夜行功能两个部分。各个按键对应不同功能，系统初始化按键按下后，软件开始初始化运行，系统开始初步实现其相应功能。定位按键被按下后，系统开始读取雨伞停留点处的经纬度，读取成功后便可获取GPS 数据。判断语句对所获得GPS数据进行进一步的判断，判断GPS数据检测是否超出了规定次数以及GPS数据是否为准确有效的数据，若数据无误，再将对照所得数据和设置好的停留点经纬度，将两点位置进行比较后，计算角度，点阵动态显示点阵方向，若数据存在误差，点阵将提示“获取信息失败”，再次获取并判断一轮数据；手电开关按键被按下后，系统进行简单判别，实现灯亮或灯灭的操作。

图3 系统工作流程

2 系统的实现

2.1 GPS定位

GPS 定位[7]是一门用于对一些设备和人、车、宠物等移动的物体进行远距离在线定位监控的技术。GPS 定位是结合了无线通信技术、GPS 技术[8]、图像处理技术及GIS 技术中的定位技术，GPS 监控中心能够全天候24 小时监控所有被控雨伞的实时位置、前进方向和前进速度，以便最及时地掌握被控雨伞的实时状况[9]。GPS 的空间分布是由24 颗GPS 工作卫星所组成，这些GPS 工作卫星共同组成了GPS 卫星星座，其中21 颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6 个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12 恒星时。每颗GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的。定位结构主要包含NEO-6/7M GPS 模块，模块加装于伞柄底盖部位，不影响用户日常使用。本系统的MCU 和定位功能是利用STC89C52RC 单片机[10]实现的，LM7805 三端稳压芯片被用来将电源电池电压转换为+3.3 V 的电压，提供给单片机供电。GPS 模块接收到数据后传输给STC89C52单片机，STC89C52单片机处理后将采集到的信息实时显示到LCD12864 显示屏上。下载电路与串口p3.0相连接。在程序烧录软件中下载与应用相关的程序后，目标芯片上电，单片机与设备成功握手后，按下相关按钮，开始定位并在LED显示屏上显示对应信息，如实时经纬度、设置停留点、提示等[11-12]。

2.2 夜行

该功能选用工作电压为3 V 的LED 灯胆，2 节7 号干电池做电源。灯体加装在雨伞伞柄尾部。

本系统雨伞手柄区别于传统的自动按钮手柄，全新自动手柄添加了夜晚照路功能，大大方便了用户夜间出行。伞柄与电源部分用螺纹相连接，以便更换电池。螺纹末端加置橡胶圈，防止雨水渗入。LED 灯的灯罩采用有机玻璃，有效提升防水功能。

2.3 速干

该功能采用高密度优质伞布-尼龙布、疏水性伞面材料、碳钢骨架等工艺结构。尼龙布布质较轻，手感柔软，表面反光，冷涨热缩能力一般，适用于直身或折身雨伞。雨伞结构整体作用以提高雨伞安全耐用性，雨水在伞布上形成水珠，进而在进入室内前雨伞可实现一键甩干功能，地面积水大幅度减少，减少打扫工作。

3 测试数据

3.1 定位功能测试

经测试，到达指定位置（如“南一门”）时，按下P1.1对应按键，LED 显示屏显示“获取经纬度”、“南一门，到了”，系统开始检测是否超出检测次数，本次检测结束后，再检测所得数据是否为有效数据，最后检测指定位置停留点与当前位置经纬度并判断是否到达停留点。系统一轮检测结束后，若定位成功，则显示对应点的具体经纬度；若定位失败，则不显示相应数据。定位功能测试数据，如表1所示。

表1 定位功能测试数据

3.2 夜行与速干功能测试

在雨雪天下午18：00、晚间20：00、晚间22：00、凌晨00：00，在户外正常光照处使用本伞，打开夜行灯设计，观察其光照范围、光照距离以及电子器件防水情况。经测试，随时间推移，光照范围逐渐减小、光照距离逐渐降低、电子器件防水情况良好。夜行与速干功能测试数据，如表2所示。

表2 夜行与速干功能测试数据

在雨伞上均匀喷洒自来水，自动开合雨伞观察其甩水情况。经测试，自动开合后，可甩去大部分水，并不能完全甩干伞面水分。

经过测试数据分析，本设计各方面指标均能够达到要求，说明设计性能稳定，功能可实现。

4 结束语

本设计是在雨伞伞柄把手处添加由单片机实现的GPS定位器，有了定位器，便可以轻松实现雨伞防丢的功能。以及将普通把手改装为手电筒把手，雨夜间出行天黑路滑，雨伞自带发光功能，照见周边路况，有效降低出行风险。高密度优质伞布，疏水性伞面材料，碳钢骨架等工艺结构提高雨伞安全耐用性，雨水在伞布上形成水珠。进入室内前一键甩干，地面积水大幅度减少，降低打扫力度。基于这种雨伞，用户只需花费较低的费用便可享受高效、便捷的智能化功能，不仅大大提高了人们的生活质量，还顺应了科技发展的浪潮，故本项目具有理论研究意义和可应用价值。