基于集成模块的超低辐射定位检测系统设计

熊中刚

（遵义师范学院工学院，贵州遵义563002）

基于集成模块的超低辐射定位检测系统设计

熊中刚

（遵义师范学院工学院，贵州遵义563002）

为实时掌握儿童当前位置，同时满足无辐射和高效节能的要求，设计了一款基于GPRS-GPS-GSM的无线无辐射儿童防丢定位系统。该定位系统近距离根据主从模块上Si4432射频模块之间通信的无线信号强弱，采取超长待机被动接收无线信号的定位方式；远距离运用GPS/GSM双定位方式采集定位信息，实现无线数据远程传输到用户终端；同时运用双效节能调节算法DVS-DPM和动态休眠通信算法（DynamicSleepCommunication Algorithm，DSCA）对无线通信进行处理，使系统达到最佳防丢节能效果。

无辐射；定位系统；节能算法；GSM；GPRS；GPS

随着生活水平的不断提高，儿童安全问题越来越受到人们的重视。目前已研究出的各种防丢系统由于长期发出无线辐射会使人出现头痛、疲劳、恶心、晕眩和记忆力减退症状，同时还增加了人体患癌症及心脏病的风险，无线辐射还可杀死脑细胞，造成“电子毒雾”，特别是对处于成长发育期的婴幼儿伤害更大，导致父母对这些产品的使用具有强烈的戒备心理［1-3］。

防丢系统另一个焦点问题是系统的低能耗。针对实时周期性任务的系统节能，文献［4］提出了一种静态分配和动态调整相结合的节能调度策略，文献［5］针对有相同截止期的实时周期任务的不同能量特性，利用二叉搜索策略提出了一种降低能耗的方法。综合当前研究现状，本文采用DVS-DPM和动态休眠通信算法，设计了一种基于集成模块的超低辐射儿童防丢定位系统。

1　系统总体结构及工作原理

系统由主模块和从模块两部分组成，总体结构框图如图1所示。主模块负责发射无线定位信号，主要由中央处理单元、Si4432无线发射单元、按键处理单元和电源节能单元组成。从模块负责射频信号的接收与定位，主要由中央处理单元、GPRS/GPS/ GSM定位单元、锂电池充放电管理单元、Si4432无线接收单元和电源节能单元组成。

图1　无辐射儿童防丢定位系统总体结构框图

其工作原理为：外出时，将从模块佩戴在儿童身上，按下主模块按键，主模块中央处理单元通过Si4432无线发射单元向从模块发送启动定位信令，之后周期性向从模块发送无线联络信号，从模块Si4432无线接收单元接收到启动信令后，如果能周期性接收到联络信号，则定位单元一直处于关机状态，不产生任何无线电辐射，当Si4432无线接收单元在设定时间内未接收到联络信号时，定位系统会自行启动GPRS/GPS/GSM定位单元，同时自行将其采集的当前定位信息通过GPRS发送到服务器或通过GSM发送到设定的告警号码，告知用户从模块的当前位置。

2　硬件电路设计

2.1主模块硬件电路设计

主模块主要由中央处理单元、射频信号发射单元、按键单元和电源节能单元四部分组成。按键单元通过按键检测输入信号，并将相应信号送给中央处理单元。电源节能单元主要通过中央处理器传输的脉冲信号来控制电压输出的通断。射频信号发射单元以Si4432射频芯片为核心来进行设计，Si4432射频模块是一款高度集成的无线 ISM频段收发模块，用于周期性地发送无线信号。中央处理单元采用宏晶科技生产的STC11F02E系列的低功耗单片机STC11L04E，用于对获得的信号启动命令进行分析处理，对Si4432进行功能设置、数据发送控制等。具体电路如图2所示。

图2　主模块电路

2.2从模块硬件电路设计

从模块主要由中央处理器单元、射频信号接收单元、GPS/GPRS/GSM集成定位单元、电源节能单元和充电管理单元五部分组成。GPS/GPRS/GSM集成定位单元根据检测到的GPS和GSM信号强弱，通过中央处理器的控制命令自适应开启 GPS和GSM定位功能，GPS完成信息接收功能，GSM完成网络定位功能，并将获得的位置信息编制成短信通过GSM发送给用户或通过GPRS发送到本地服务器。

充电管理单元采用锂电池充电管理芯片实现对系统的充电保护。

中央处理单元采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2系列的低功耗单片机 STC12LE5A32S2作为主控芯片，控制Si4432无线射频模块的信号接收和定位模块的信息采集与传输。具体电路如图3所示。

图3　从模块电路

3　软件设计

3.1软件总体介绍及流程图

依据定位系统超低辐射的要求，当主模块向从模块发送定位启动信令后，射频信号发射单元周期性向从模块发射无线信号；从模块接收机采取被动接收无线信号的方式，通过检测主模块无线信号进行位置判断，当在设定时间内未接收到主模块发送来的信号时，从模块便会自行启动GPRS/GPS/GSM集成定位单元，进行跟踪定位，同时通过双效节能调节算法DVS-DPM和动态休眠通信算法 （Dynamic Sleep Communication Algorithm，DSCA）［6，7］对无线通信进行双重节能处理，使防丢系统节能效果更佳。

信号发射流程：将接收机地址和待发送数据按时序送入Si4432无线发射单元，配置相应寄存器，使单片机的 P33脚电压升高，通过检测按键启动Si4432无线发射单元进入相应信号发射模式（其发射过程为给射频前端供电，射频数据打包，高速发射数据包），发送周期联络信号到从模块。主模块信号发射流程图如图4所示。

图4　主模块信号发射流程图

接收流程：从模块初始化，在接收到主模块发送的定位启动信令后，Si4432无线接收单元进入节能休眠状态，等待主模块Si4432周期性发送的数据包；当接收到正确的数据包 （正确地址和CRC校验码）时，中央处理单元Si4432将数据读出；如果在设定时间内没有接收到信号，中央处理单元控制GPRS/ GPS/GSM定位模块自行启动，通过GPS/GSM采集当前位置信息，经中央处理单元将定位数据打包处理后，由GPRS传到服务器或由GSM传到设定的号码。从模块信号接收流程图如图5所示。

图5　从模块信号接收流程图

3.2无线模块通信节能算法处理

由于该系统采用3.7V电池供电，同时考虑到Si4432无线射频模块、GPRS/GSM/GPS定位模块工作能耗大，为降低无线设备能耗，延长电池使用寿命，作者运用双效节能调节算法DVS-DPM和动态休眠通信算法，使系统达到最佳节能效果［8］。

3.2.1双效节能调节条件

无线通信模块分为休眠、空闲、发送和接收四个状态，各状态转换需要消耗一定能量，且有时延，当CPU结合DPM处理无线通信模块几种状态之间的转换时，只有状态间转换时消耗的能量基本等于设备进入低功耗休眠状态时节约的能量，DPM才能有效完成节约能耗的工作。图6表明了状态转换与能量变化的关系。

图6　状态转换与能量变化关系曲线

STC单片机空闲状态电流1.8mA，休眠状态电流小于0.1uA，设空闲状态功耗为P1，休眠状态功耗为P2，空闲时间为T，则状态转换时额外消耗的能量：

当系统从空闲状态转为休眠状态时节约的能量：

综合（1）、（2）两式可知，空闲时间（相邻两次状态转换时间间隔）T需大于某一时间Ti（进入休眠状态能够保证节能的最短空闲时间长度）才能满足E1大于0，从而实现节能目的。

3.2.2最佳能耗点的求解处理过程

系统功耗主要包括以下四部分：Psw―电容充放电消耗功率；Pc―电容充放电时，供应电压的瞬间功耗；Pl―晶体管静态漏电流消耗功率；Pst―电流为常数时消耗功率。分析可得：

式中 Vdd―电源电压；

Ps―休眠功率；

Pw―总功率。

令P0=Pc+Pl+Pst，则

设系统在某一周期内，M为总代码量，Tx为实际完成时间，Ti为规定完成时间，ƒ为系统工作频率，满足ƒmin＜ƒ＜ƒmax，Vmin＜Vdd＜Vmax，M、Ps、Ti一定时，则一个周期内系统的最低能耗为：

4　试验及结果分析

4.1定位试验及分析

首先将系统中的 Si4432无线收发频率设置为433MHz，分别在室内、高大建筑物和空旷环境下进行定位测试试验，周期性的发送定量数据包，每个数据包存放10字节的数据，试验测得Si4432无线通信模块在室内有障碍物直接遮挡环境下的通讯距离为55.5m；在室外比较空旷的环境下，通讯距离最大可达1000m，有效定位距离及效果如表1。

从表1可以看出，测试距离在1 000 m以内，从接收到的数据包及准确率看，可以保证能够准确地发送报警信号。本试验系统中测得无线射频模块各个状态时的功耗如表2所示。

表1　测试有效通讯定位距离

表2　Si4432各状态时的功耗

4.2节能试验及分析

为实现有效节能，运用双效节能调节算法DVSDPM调节射频模块在工作和休眠状态间转换，且在满足公式（2）条件下，经计算状态转换时间应满足T〉5.6ms。由DVS-DPM和DSCA处理可以得出分布集中动态休眠时间，根据任务需要可分别取休眠时间为0.1s、0.3s、0.6s和1s，每隔10s主从设备互传一个数据包，由表3可知，经过处理后在保证数据稳定可靠传输的同时，大大降低了设备功耗，且休眠时间越长，功耗越低。

表3　不同休眠时间对应平均电流值

为了验证无线通信模块经过DSCA和双效节能调节算法DVS-DPM处理后的节能性，作者进行了节能性能测试试验，传输距离35.5m，所有节点的初始能量都设为1J，实验测试运行3600s，试验结果如图7所示。由图7可知，经DSCA和DVS-DPM处理后的设备节能效果明显。

图7　能量消耗比较图

5　结论

作者设计了一种基于GPRS-GPS-GSM的无线无辐射防丢定位系统，该系统采用近距离通过Si4432无线模块超长待机的被动信号接收方式和远距离运用GPS定位技术，使系统具有无辐射和定位精度高的特点，同时从理论分析和一定条件下的实验结果来看，经双效节能调节算法DVS-DPM和动态休眠通信算法处理的系统具有高效节能的优点，有效弥补了以往防丢定位系统的缺陷，真正实现无辐射、高效节能的防丢定位功能，具有一定的市场前景。

［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，赵俊逸.基于RFID近距离电子防丢报警器设计［J］.计算机与数字工程，2008，20（6）：214-217.

［4］刘宁.动态休眠通信算法设计［J］.安徽农业科学，2012，40（8）：5042-5043.

［5］刘磊，陈栋梁，赵宏伟，等.基于ARM11和Zigbee的人员定位防丢器［J］.赤峰学院学报（自然科学版），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］李硕，冯玉娟.由AT89C52单片机组成的智能呼救系统设计［J］.自动控制与仪器仪表，2008，16（8）：157-162.

［8］朱建新，高蕾娜，田杰，等.基于Zigbee技术的老年人防走失装置［J］.计算机工程与科学，2009，31（5）：144-146.

（责任编辑：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

贵州省教育厅青年基金项目（黔教合KY字［2015］457号）；遵义师范学院教研基金项目（［15-01］号）；贵州省级重点学科资助课题（黔学位办［2013］18号）

熊中刚，男，湖南常德人，遵义师范学院工学院讲师，硕士，主要从事电气自动化和智能控制研究。