面向漿板運動的安全定位器開發

張振權, 彭穎, 黃昊, 馬麗娜·葉爾江, 宋建

(華南理工大學, 機械與汽車工程學院, 廣東, 廣州 510640)

0 引言

漿板運動(SUP)作為一項新興的水上運動風靡全球,其入門難度低和娛樂價值高的特性使得該運動的受眾群體廣大,因而誕生了許多漿板運動基地[1-2]。然而此類基地多位于大型開放水域,過大的活動場地使得漿板運動基地難以在現有安全員數量下保證游玩人員的運動安全,游玩人員超出規定活動范圍進入危險區域的風險極大。得益于定位技術與和物聯網技術的發展,精準定位和云端監控給上述問題帶來了新的技術解決方案[3]。

目前市面上常見的安全定位設備有車輛定位器、兒童老人防丟定位器等。然而車輛定位器在定位精度上有所欠缺,定位精度多在幾十米范圍內,并不適合用于漿板運動場景;兒童老人防丟定位器雖在精度上滿足要求,但有限的3～5天續航時間使得漿板運動場合下設備的使用價值銳減[4-6]。本文根據漿板運動基地的需求設計了一款具有高精度實時定位和長時間續航性能特點的安全定位器與云平臺應用,可對游玩人員進行實時位置跟蹤管理。

1 硬件電路設計

定位器的硬件電路主要由微處理器模塊、通信定位模塊、電源管理模塊等3部分組成。其中,微處理器模塊由STM32L031F6P6芯片及其外圍電路組成;通信定位模塊由BC20模組與天線、SIM卡插槽等組成,BC20與STM32L031通過UART口交換數據;電源管理模塊主要由鋰電池充電芯片TP4065、3.7 V鋰電池、線性穩壓芯片ME6211C33組成,為定位器提供持續的工作電源。定位器的硬件結構如圖1所示。

圖1 定位器硬件結構框圖

1.1 微處理器芯片選型

STM32系列具有高性能、低成本、低功耗以及可裁剪的特點,在應用上大致可以分成主流型、高性能型以及超低功耗型。本文應用場景要求定位器的功耗盡可能的小,在此先確定將超低功耗型的STM32L系列作為微處理器芯片選型的主方向[7]。

表1列出了STM32L系列對應的內核,包括Cortex-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4以及Cortex-M33,其中Cortex-M0+雖然是比較基礎的ARM處理器,但其性能完全能夠滿足本文的應用需求,且運行能耗低并支持低能耗連接。在此基礎上綜合考慮芯片大小和成本等因素,最終選擇了STM32L031F6P6作為主控電路的微處理器芯片。該芯片使用ARM Cortex-M0+內核,采用20個引腳的TSSOP-20封裝,Flash內存為32 Kbytes,正常工作電壓范圍為1.8～3.6 V。

表1 STM32L系列嵌入式芯片系列與對應內核

1.2 通信與定位模塊選型

不同的物聯網通信技術有著不同的技術特征和應用場景,目前常用的物聯網無線通信技術包括Sigfox、Wi-Fi、NB-IoT以及LoRa等[8]。根據應用需求,本文從通信距離、功耗、傳輸速度、能否接入互聯網以及適用場景等幾方面進行討論,其相關參數如表2所示。

表2 常用物聯網無線通信技術相關參數對比

由于槳板運動的活動場所一般在靠近郊區的湖泊中,且活動范圍較大。通過表2的對比數據可知,NB-IoT和Sigfox均可滿足槳板運動安全定位要求,然而Sigfox在我國的網絡覆蓋率較低,在此選擇了NB-IoT以及支持該通信技術的BC20模塊。BC20是一款支持GNSS定位功能的NB-IoT無線通信模塊,相比于傳統的NB-IoT+GNSS方案,其一體化設計能在一定程度上減少設備的體積,而且還能實現北斗和GPS雙衛星導航系統解調算法,能在一定程度上提高定位的準確性,更能滿足高定位精度的應用場景。

1.3 電源管理模塊

電源是一個設備不可缺少的組成部分,定位器的電源管理模塊由充電、供電以及線性穩壓三部分組成。正常運行時,由于鋰電池的輸出電壓隨電量變化且與各個芯片的工作電壓不匹配,因此需要通過ME6211C33芯片將鋰電池的輸出電壓轉換為穩定的3.3 V電壓,使各芯片都能安全穩定的運行,確保定位的準確性和通信的可靠性;而當電量不足時,定位器會及時預警,工作人員可以通過TP4065芯片進行充電,確保供電正常。

2 定位器軟件設計

安全定位器程序運行流程如圖2所示。

圖2 定位器程序流程圖

安全定位器在初始化后便嘗試連接OneNET云平臺以便后續數據交互;成功連接則通過BC20模組獲取RMC(最簡定位信息)格式的GNSS語句并從中解析出有效位置信息,然后通過ADC轉換計算得到電池電量信息。綜合考慮漿板運動中定位器實時定位與續航能力的要求,本文采用位置差模式上報位置信息和電量階梯模式上報電量信息,有效減少了無價值數據的報送對電量的損耗。

2.1 定位數據的接收與處理

BC20模塊支持標準NMEA 0183協議。STM32向BC20模塊發送AT+QGNSSRD=“NMEA / RMC”以獲取RMC格式的GNSS語句,在判斷返回的GNSS語句有效性后,從中提取經緯度信息[9]。RMC格式的GNSS語句包含經緯度、時間等內容,具體含義如表3所示。

表3 RMC語句的信息解析

提取的經緯度數據格式分別為“ddmm.mmmmm”、“dddmm.mmmmm”,將其中單位為“分”的數值進行“度”的單位轉換以簡化信息,處理后的經緯度數據分別以變量形式進行儲存。

2.2 電量監測

電量監測的主要流程為對ADC校準以更新校準因子,得到更加精準的數字電壓值;啟動ADC后通過微處理器芯片的PA4引腳逐次讀取鋰電池電壓模擬值BAT_DATA、內部電壓基準值VREFINT_DATA,尋址得到參考電壓校準值VREFINT_CAL,VDDA_Charac取3.0 V,通過式(1)得到實際VDDA的值,通過式(2)得到電池實際電壓值BAT_VALUE。循環ADC轉換10次取平均值得到實際鋰電池電壓平均值,最后根據式(3)將得到數值轉換為百分比。

(1)

(2)

(3)

2.3 數據報送

獲得經過處理的定位數據后,定位器通過位置差報送模式上報動態位置信息,其工作流程為計算當前定位數據與前次上報數據的距離,距離大于等于5 m便上報當前位置信息,否則不予報送。定位器的電量監測通過電量階梯報送模式進行上報,其工作流程為:獲取電量百分比數據后,使用判斷語句“if(BAT_PCT%10==0)” 判斷當前電量百分比是否為10%的倍數,若滿足條件則將電量數據上報。上報數據均通過AT+MIPLNOTIFY指令控制BC20模塊向云平臺進行傳送。

3 定位器的云管理平臺

3.1 OneNET云平臺的連接

本文使用的是中國移動的OneNET物聯網開發云平臺。OneNET是一個PaaS物聯網開放平臺,方便開發者實現終端設備的接入與連接[10]。定位器的BC20模塊通過LwM2M協議與OneNET云平臺進行交互,其中LwM2M是一種安全、高效、易部署的物聯網協議,適用于不同網絡環境下資源有限的終端設備管理[11]。

建立云平臺與定位器的連接,需要事先在平臺中創建設備應用:首先在NB-IoT物聯網套件創建產品,其中聯網方式選擇NB-IoT,設備接入協議選擇LwM2M,然后創建設備應用并輸入定位器的IMEI碼與IMSI碼,實現安全定位器與應用的連接綁定。定位器啟動后,通過AT指令向云平臺發送連接請求,待云平臺對應的訂閱請求以及發現資源請求響應后即建立與OneNET的連接。

3.2 電量監測與報警

定位器接入OneNET平臺后,可以在設備資源列表中查看實時上報的電量百分比數據。為了實現低電量報警,平臺提供了事件觸發器管理功能。低電量報警配置流程:在觸發器管理界面中選定關聯設備以及相關電量對應的資源信息,設置合適的觸發條件,完成上述動作即可開啟平臺的低電量報警功能。配置界面如圖3所示。

圖3 低電量報警配置界面

4 系統運行測試

4.1 實時定位

開啟定位器并接入云平臺,根據平臺上的定位信息歷史數據流,借助百度地圖API可以得到如圖4所示的定位器移動軌跡。雖然實測過程中定位器的運動速度是變化的,但從圖中可以看出平臺上每個位置點間的距離較為均勻,且均在5 m以上,表明位置差報送模式運行正常?；贠neNET平臺的位置數據,槳板運動基地管理者可對每個游客的運動軌跡進行實時監控,借助電子圍欄更可以實現超安全區域的預警。

圖4 根據位置數據流得到的定位器移動軌跡

4.2 續航能力

根據實地調研情況得知,每塊漿板的使用時間約為4 h/d,在此確定以5 h作為該安全定位器的每日開機使用時間。使用配置額定容量5000 mAh充電電池的安全定位器進行模擬測試,達到10%的預警電量的使用時間為12～14 d,較好平衡了充電電池成本與槳板基地管理人員的充電勞動強度。

5 總結

本文設計了一款低功耗、長續航的北斗/GPS雙重定位漿板運動安全定位器。通過調研分析,選取超低功耗型的STM32L031F6P6作為主控電路的微處理器芯片,并設計了硬件電路;軟件設計提出了位置差上報位置信息和電量階梯上報電量信息的數據報送方法,既能為槳板運動管理提供了實時的有價值數據,也極大降低了設備的運行功耗。運行測試表明,開發的定位器定位準確,配置5000 mAh充電電池可續航12～14 d,在槳板與其他戶外運動的安全定位管理中有較大的應用價值。