【正文】 系統(tǒng)為基礎(chǔ)應(yīng)用的產(chǎn)品， GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)以其高定位精度、全天候定位等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中 ，同時(shí)也帶來了美好的市場(chǎng)前景，其 擁有著不可替代的地位。當(dāng)然在利益的驅(qū)使之下，許 多的新業(yè)務(wù)及功能都是為了滿足用戶的移動(dòng)定位需求，面對(duì)國(guó)內(nèi)人數(shù)超過 5 億的用戶群體，移動(dòng)定位技術(shù)的快速發(fā)展也就顯得迫在眉睫了 [6]。本課題就是利用 GPS 定位和 GSM 移動(dòng)定位兩種技術(shù)，同時(shí)利用 GSM 系統(tǒng)的短信技術(shù)來實(shí)現(xiàn) 導(dǎo)盲系統(tǒng)的信息定位。已經(jīng)研制成功 的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)主要 分為四類：基于電子技術(shù)的導(dǎo)盲儀 、 移動(dòng)式機(jī)器人 、 穿戴式導(dǎo)盲儀和導(dǎo)引式手杖 [5]。完成于 1974 年的 Sonicguide，它的外型類似于一個(gè)眼鏡框，一個(gè)具有 55176。結(jié)合使用者頭部的運(yùn)動(dòng)，能清楚的獲得障礙物的位置 [6]。移動(dòng)式機(jī)器人雖然比 ETA 功能更完善，更加的智能化，但是它的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，因此對(duì)于傾斜路面、上下樓梯或者需要跨越的障礙物的處理 相當(dāng)困難，在行動(dòng)的范圍與地形上也會(huì)受到限制；并且行走的路徑是由移動(dòng)機(jī)器人規(guī)定決策的，這導(dǎo)致盲人使用者的行進(jìn)是被動(dòng)式的被機(jī)器人引導(dǎo)；此外即時(shí)的自主式行走需要大量的復(fù)雜算法的持，導(dǎo)致硬件及開發(fā)成本上都會(huì)付出相當(dāng)高的代價(jià)，因此并沒有得到廣泛的應(yīng)用。該裝置由安放 8 個(gè)超聲探頭的腰帶、置于背包的小型計(jì)算機(jī)和立體聲耳機(jī)組成。 NavBelt 因?yàn)槭谴┹d在盲人的身上的，因此無法像導(dǎo)5 盲犬一樣提供給盲人心理 的安全感和依賴感 [8]。目前 已存在的 此類型 機(jī)器主 要是 Borenstein 的 GuideCane。通過手柄上的微型控制桿，設(shè)定行進(jìn)目標(biāo)方向。 本系統(tǒng) 的主要研究?jī)?nèi)容 隨著超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，避障的方法也越來越多樣，本系統(tǒng) 主 要 的研6 究 內(nèi)容是基于 單片機(jī) 的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的理念是低成本，操作簡(jiǎn)單，功能完善，便于攜帶的導(dǎo)盲產(chǎn)品。所謂回聲定位，就是某些動(dòng)物能通過口腔或鼻腔把從喉部產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲音來定向。 超聲波概述 聲波按頻率高低不同可分為四種 [7]：頻率在 16KHz～ 20KHz 之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于 16KHz 的機(jī)械波稱為次聲波；高于 20KHz 的機(jī)械波稱為超聲波；高于 10MHz 的機(jī)械波稱為特超聲波。超聲波作為一種特殊的聲波，同時(shí)又具有方向性好，加速快等特點(diǎn)，而且波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米，因此與可聽聲波比較，超聲 波在傳播特性和功率特性都有一定的優(yōu)勢(shì)。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。其中，吸收衰減主要是由于傳播介質(zhì)的粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成介質(zhì)間的內(nèi) 摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗；散射衰減是由于聲波在遇到媒質(zhì)界面時(shí)，向不同的9 方向產(chǎn)生散射，從而導(dǎo)致聲波減弱；擴(kuò)散衰減則是由聲源特性引起的，是因?yàn)槁暡▊鞑ミ^程中因波陣面的面積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強(qiáng)減弱，若聲源輻射的是球面波，其波陣面隨 r增大，聲強(qiáng)隨 r減弱。由于 超聲波傳感器有一定的覆蓋性， 所以 可以用較少的傳感器數(shù)量覆蓋較大的測(cè)量范圍。超聲的這些 特性被廣泛的應(yīng)用于超聲波探傷、測(cè)距以及超聲成像技術(shù)中。在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè) 中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為 “ 哨 ”或 “ 笛 ” 。它 的材料主要是壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的 ,逆壓電效應(yīng)是將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波；而正壓電效應(yīng)，是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。所以，一方面換能器與 發(fā)射電路（或接收電路）末級(jí)電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負(fù)載（或接收聲負(fù)載）匹配。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在 20℃ ~+70℃溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期工作。往返時(shí)間檢測(cè)法的基本原理在聲速已知的情況下通過測(cè)量發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間差來計(jì)算障礙物的距離，原理圖如圖 所示。 12 圖 超聲測(cè)距工作原理圖 若已知聲速為 c，測(cè)出的第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)間與發(fā)送超聲波的時(shí)間差為 t,測(cè)量發(fā)射點(diǎn)到障礙物再到接收點(diǎn)的距離為 2s，根據(jù)公式 CTS 21? ,可得到傳感器與障礙物之間的距離 ?？梢詾楸鞠到y(tǒng)提供準(zhǔn)確的定位信息。 GPS 系統(tǒng)的構(gòu)成及基本定位原理 本系統(tǒng)應(yīng)用 以 M89 為核心的 GPS 模塊 進(jìn)行 經(jīng)緯度 數(shù)據(jù)的采集和 處理 。它由 24 顆衛(wèi)星組成 ， 早期的 GPS 系統(tǒng)對(duì)民用信號(hào)的定位精度限制為 100 米左右， 20xx 年后則取消這一限制。 地面控制部分即地面監(jiān)控系統(tǒng) 包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)檢測(cè)站。另外還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)整個(gè)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作，檢驗(yàn)注入給衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)送給了用戶。五個(gè)監(jiān)測(cè)站除了位于主控站和三個(gè)注入站之外的四個(gè)站外，還在夏威夷設(shè)立了一個(gè)監(jiān)測(cè)站。 空間部分 衛(wèi)星及其星座由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用 衛(wèi)星構(gòu)成。 在 靜態(tài)定位中， GPS 接收機(jī)在捕獲和跟蹤 GPS 衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度的測(cè)量 GPS 信號(hào)的傳播時(shí)間，利用 GPS 衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。 GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。 GPS 衛(wèi)星定位原理示意圖如圖 所示： 16 圖 衛(wèi)星定位原理圖 GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。其中衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)為已知量，接收設(shè)備的空間位置坐標(biāo)為未知量，需要我們通過計(jì)算得出，同時(shí)接收設(shè)備與這顆衛(wèi)星之間間隔的距離 R 也是我們需要提前得到的，這樣，求解三個(gè)未知數(shù)就需要三個(gè)方程聯(lián)立，就可以得到接收設(shè)備的空間位置坐標(biāo)（ x， y， z）。不過沒關(guān)系，四個(gè)未知數(shù)只要有四個(gè)方程聯(lián)立同樣可以得出我們所需要的空間位置坐標(biāo)，四個(gè)偽距測(cè)量方程如下 (33)所示： cZZYYXXR *t)()()( 212121 ???????? cZZYYXXR *t)()()( 222222 ???????? （ ） cZZYYXXR *t)()()( 232323 ???????? cZZYYXXR *t)()()( 242424 ???????? 上式中 R 為接收設(shè)備與這顆衛(wèi)星之間間隔的距離，（ x1， y1， z1）、（ x2，y2， z2）、（ x3， y3， z3）和（ x4， y4， z4）均為衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)，（ x， y，z）為接收設(shè)備的空間位置坐標(biāo)，Δ t 為時(shí)鐘誤差， c 為電波傳播速度。 18 GSM 綜述 全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)即 GSM，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。這說明數(shù)字通訊從很早就已經(jīng)構(gòu)建到系統(tǒng)中。而且，標(biāo)準(zhǔn)就允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供漫游服務(wù)，用戶就可以在全球使用他們的移動(dòng)電話了。覆蓋面積因不同的環(huán)境而不同。傘蜂窩則是用于覆蓋更小的蜂窩網(wǎng)的盲區(qū)，填補(bǔ)蜂窩之間的信號(hào)空白區(qū)域。 GSM 模塊中的 AT 指令和短消息 AT 即 Attention， AT 指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器19 或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的。沒有控制移動(dòng)電話文本消息的先例，只開發(fā)了一種叫 SMS 的 BlockMode 的協(xié)議，通過終端設(shè)備（ TE）或電腦來完全控制。幾年后，主要的移動(dòng)電話生產(chǎn)廠商諾基亞、愛立信、摩托羅拉和 HP 共同為 GSM研制了一整套 AT 指令，其中就包括對(duì) SMS 的控制。 GSM 模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議是一些 AT 指令集， AT 指令是以 AT 作首，字符結(jié)束的字符串， AT 指令的響應(yīng)數(shù)據(jù)包在中。串行線對(duì)端的應(yīng)用設(shè)備包括終端設(shè)備 TE（ Terminal Equipment）、數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE（ Data Terminal Equipment）或其他應(yīng)用設(shè)備。在方案論證中就 系統(tǒng)總體方案、系統(tǒng)控制芯片選擇、無線通信方式 的 選擇 進(jìn)行論證。如遇到緊急情況，用戶可實(shí)現(xiàn)一鍵緊 急報(bào)警功能，將 GPS 定位信息通過 GSM 發(fā)送到固定手機(jī)，以便得知用戶信息。系統(tǒng)測(cè)量的就是介于上限與下限距離范圍的障礙物信息。 ISD 語音播放 語音播放模塊 實(shí)現(xiàn)當(dāng)障礙物距離低于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行語音提示告 知用戶路況 信息。本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價(jià)格低廉。在結(jié)構(gòu)上換能器、處理器和輸出器這三部分可以合置一起，在使用方式上，超聲導(dǎo)音器可分為頭戴式，如導(dǎo)盲眼鏡或?qū)ゎ^箍。 系統(tǒng)控制芯片選擇 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)控制中心時(shí)，有采用 FPGA 處理器 和 采用 8 位單片機(jī)處理器兩種方案可供選擇。 （ 2） 采用 8位單片機(jī)處理器，它采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一 個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 （ 1） 采用 ， 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。但是 的傳輸距離上限為 1000 米。24 5 單片機(jī)導(dǎo)盲 系統(tǒng)的的硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括控制中心、測(cè)距硬件電路、經(jīng)緯度采集電路、通信模塊電路和語音播放電路。 控 制 中 心 超聲波測(cè)距 GPS 定位 GSM 短信模塊 語音提示模塊 25 控制中心 控制中心 實(shí)現(xiàn) 測(cè)距 數(shù)據(jù) 的采集、 GPS 定位信息 采集 和 控制 GSM 的通信，其工作 原理圖如圖 所示。在進(jìn)行通信時(shí) ,發(fā)送者將設(shè)置好的短信內(nèi)容從發(fā)送方的手機(jī)發(fā)送出去 ,通過短消息中心發(fā)送 ,這樣就完成一次單向的數(shù)28 據(jù)傳輸。 29 ISD4002 工作 原理圖 30 6 單片機(jī)導(dǎo)盲 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 從 AT 指令編程和 GPS 的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的基本功能 。“ $ GPRMC”、“ $GPVTC”、“ $GPGGA”、“ $GPGSA”、“ $GPGLL”和“ $GPGSV”每個(gè)語句所包含的數(shù)據(jù)都不相同，以“ $ GPRMC”為例，其中內(nèi)容就包含有衛(wèi)星定位時(shí)間、定位狀態(tài)、經(jīng)緯度信息、相對(duì)位移速度及方向和定位日期等數(shù)據(jù)，“ $ GPRMC”也是 GPS 數(shù)據(jù)的最小格式 [49]，其標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)格式以及實(shí)際數(shù)據(jù)說明如下所示 : $GPRMC,1,2,3,4,5,6,???? . $GPRMC,A,N,E,20xx10, ，A*52 （ 1） 衛(wèi)星定位時(shí)間（ UTC time）：“ “是指定位時(shí)間為 07 點(diǎn) 40 分 秒，換算成北京時(shí)間就是 07+8=15 點(diǎn) 40 分 秒。 （ 6） 東半球經(jīng)度或者是西半球經(jīng)度：“ E“就是指東半球。 圖 GPS 數(shù)據(jù)采集流程圖 本系統(tǒng)的處理器 首先建立并初始化 接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，程序?qū)邮諗?shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行不斷的判斷，判斷 是否有 GPS 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)去，如果沒有重復(fù)進(jìn)行選擇判斷，如果有 GPS 數(shù)據(jù)，就判斷是否有重復(fù)的“ $“存在，因?yàn)閮蓚€(gè)“ $“之初始化 開始 從 RS2321 逐個(gè)讀取數(shù)據(jù)并存入 buff 是否讀完一個(gè)完整的語句 是否是 GPRMC 語句 ? 提取經(jīng)緯度 Y N N Y N 33 間就是一條完整的 GPS 數(shù)據(jù)，然后在這些 GPS 數(shù)據(jù)當(dāng)中尋找“ $GPRMC“和”$GPGGA”，從“ $GPRMC“和” $GPGGA”開頭到兩種數(shù)據(jù)的回車換行（ 0x0D、 0x0A）結(jié)束，中間就是我們所需要提取的 GPS 數(shù)據(jù)。 RI=0。) { index=0。G39。P39。R39。M39。C39。i++) jingdu[i]=receive_buffer[i+20]。 } } ES=1。 TC35I 的波特率范圍從 1200bps 到 115200bps，同時(shí)支持自適應(yīng)波特率 0，當(dāng) TC35I 模塊默認(rèn)為自適應(yīng)波特率的情況下開機(jī)，就需要輸入“ AT” 給模塊，才能同步上波特率，否則模塊不會(huì)響應(yīng)。AT 指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端設(shè)配器或數(shù)據(jù)通信設(shè)備發(fā)送的。,Termination Character 其中，“ Prefix”指的就是字母“ AT”，來自于“ attention”的前兩個(gè)字母 “ Body”中包括“ mand” ， “ parameter”， “ values”“ Termination Character”指的是終止標(biāo)志。 表 AT 指令 GSM 模塊程序設(shè)計(jì) 當(dāng) GSM 模塊做完初始化工作后，首先要發(fā)出 AT 看是否連接到了 GSM 網(wǎng)絡(luò)，得到 OK 答復(fù)后設(shè)置短消息發(fā)送模式，然后就要通 過 AT+CMGF 來設(shè)置短消息的模式， AT+CMGF=0 表示設(shè)置為 PDU 模式， AT+CMGF=1 表示設(shè)置為 TEXT 文本模式，本文選擇的是 TEXT