基于AGPS定位系统的宠物定位项圈

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　　摘 要：AGPS定位系统是一种GPS的运行方式，以AGPS定位系统定位功能为基础，通过使用手机基地站的信息，同时加上传统GPS卫星的帮助，使这个方法定位的速度更快。同时通过使用GSM的通信功能去处理无线传输的信息，实现远程传输的功能。项圈使用STM32F103C8T6 MCU进行信息获取，信息处理及信息传输等工作。同时通过Zig Bee技术，构造起无线传感器网络系统，通过此技术的特点和优势，拥有高精度的定位，准确地找到网络中节点的位置，实现AGPS无法实现的室内定位。
　　关键词：AGPS定位；CC2530；AOA测距原理；ZigBee室内定位
　　中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0046-02
　　Abstract： AGPS positioning system is a kind of GPS operation mode， which is based on the positioning function of AGPS positioning system， through the use of mobile phone base station information， coupled with the help of traditional GPS satellite， so that the positioning speed of this method is faster. At the same time， the function of remote transmission is realized by using the communication function of GSM to process the information of wireless transmission. The collar uses STM32F103C8T6 MCU for information acquisition， information processing， and information transmission. At the same time， through the Zig Bee technology， the wireless sensor network system is constructed. Through the characteristics and advantages of this technology， it has high-precision positioning， accurately find the location of the nodes in the network， and realize the indoor positioning that AGPS cannot achieve.
　　Keywords： AGPS positioning； CC2530； AOA ranging principle； ZigBee indoor location
　　1 研究背景
　　1.1 寵物定位追踪器的意义
　　随着最近几年社会经济的发展，人们的生活水平不断提高，大家不再仅仅只注重于自身的健康和温饱问题，也越来越关注日常生活中的各个方面，大家开始提升自己的生活质量，养宠物就是最常见的方法之一。但在宠物为我们生活带来快乐的同时，随之而来的是一系列问题的出现。我们经常可以看到我们的朋友圈会出现宠物走失的寻找启事，宠物主人丢失的不安，宠物走失的不安全性，已经成为一个越来越大的社会问题。宠物走失如何解决的问题也成为了一个热门话题，如何有效的对宠物进行定位与监控管理，也是一个越来越需要去解决的问题。
　　1.2 宠物定位追踪器的市场分析
　　在上世纪90年代初期，因为市场需求还没如今如此庞大的原因，我国的宠物定位跟踪系统市场尚未形成，同时因为资金，技术，成本等多方面原因的限制，更多的只是兴趣爱好者或者实验室所做出来的实验品。
　　90年代后期，宠物定位跟踪系统市场经历了整顿，巩固，充实和提高，在原先拥有的技术基础上改造，使得整个系统更加完善和高效。但由于技术尚不成熟，导致定位的精度不高，范围不广泛，同时因为成本过高，无法让大众所接受，所以无法得到广泛的实际运用。想要实现宠物定位追踪器的广泛运用和投入，就必须在提高精度与范围的同时大幅度地降低成本。
　　在2000年之后，瓶颈的问题是通信网络通过GSM网络技术而得到了新的发展和突破，随之也带动了定位跟踪系统与市场不断地趋于成熟化，迎来了新的发展和曙光，增长的趋势变得十分快速。而到了近些年，随着时代的发展，互联网和手机等高新设备的普及与高速发展，人们对于定位追踪这类位置服务的需求也大大增加，国家政策的出台以及宠物的全民普及，宠物定位追踪器的需求量也越来越大，宠物市场成为了一个越来越热门和抢手的机会，宠物定位追踪系统市场迎来了一个巨大的发展空间。
　　2 宠物定位与监控系统组成
　　2.1 基于AGPS的室外定位系统
　　GPS定位系统因为定位的高精度和准确度，应用广等优势受到了很多研发者和使用者的注意，尤其在GPS定位系统更加普遍地成为民用定位后，当然它的缺陷也十分明显，第一点是GPS发射和接受的信号穿透力差，很容易受到各种客观因素的影响和干扰，比如建筑物，树木等等物体的阻挡，从而使定位的精度和准确度受到干扰：第二点是GPS系统的硬件初始化问题，它的首次搜索卫星时间相比其他更长，一般情况下都需要几分钟甚至十几分钟。而辅助全球卫星定位系统又称为AGPS的出现非常成功地解决或者说是处理了这两个问题。AGPS通过利用手机基地站资讯，加上与GPS卫星通过网络辅助的配合，发挥了作用，有效地缓解了问题。 　　2.1.1 AGPS的概念及其工作原理
　　AGPS技术通过利用从网络所建立的基站中获取的信息和全球定位系统信息从而对移动台进行信息定位，可以使用于GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000网络中。使用AGPS技术需要在手机内添加一个GPS接收模块，还需要对手机的天线进行改造，在移动网络上还需要建立位置服务器和差分GPS基准站等装置。其具体的工作原理描述如下步骤：（1）首先手机将AGPS定位模块的基站位置信息发送给位置服务器。（2）位置服务器根据得到的手机的大概位置将GPS的辅助信息传输给手机。（3）手机根据AGPS
　　模块（可以提高GPS信号的第一锁定时间能力）接受到的GPS的辅助信息开始接收GPS的原始信号。（4）接收到
　　GPS的原始信号后，手机通过对此信号解调和计算得出它到卫星的伪距，然后将得到的相关信息发送到位置服务器。（5）通过处理接收到的GPS伪距信息和其他定位设备传送的辅助信息，位置服务器经过计算大概得出该手机的位置。（6）位置服务器将该手机的位置信息发送到相应的应用平台上。
　　通过上面所讲的工作方式，AGPS技术的优点主要在能够使定位精度更加的准确和有效，AGPS定位可以说是目前定位准确度和有效性最高的一种定位技术。
　　2.1.2 AGPS定位的计算方法
　　在实际应用中根据位置计算所在端的不同，AGPS定位的计算方式可以分为：MS-Assisted方式以及MS-Based方式。以上所述的两种定位计算方法都是有利有弊的：在MS-Assisted方式中，其优点为对终端的要求较低，但是其缺点也很明显，就是延时较大、不适用于高速行驶情况下的定位等。MS-Based方式相较于MS-Assisted，它的优点在于网络负担以及实时定位延时小；在此方式下工作，核心网络不用作出任何改进，进而大幅降低成本。
　　2.2 宠物定位项圈的硬件设计
　　2.2.1 控制系统整体设计
　　项圈的单元控制系统可分为两大部分，分别为电源控制单元与通信模块管理单元。电源控制单元的充电管理芯片为TP4056，可由外插USB或电池充电。芯片可以检测充电的状态，防止出现故障。主控芯片主要由STM32F103C8
　　T6 MCU进行信息获取，信息处理以及信息传输等工作的通信模块管理单元。通信模块管理单元主要管理AGPS与MCU进行数据交换以及GPS与MCU进行数据交换，通过LED显示不同的颜色向使用者提示电池的电量。而通过ZigBee通信模块，若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现室内定位。
　　2.2.2 GSM通信模块
　　GSM通信模块主要由四大部分组成，分别是对接受或发射的基带信号进行解码的基带芯片、产生特定频率驱动代码发送的射頻芯片、存储器、功率放大器等器件。在本文里应用其通信功能，用于固定信息的无线传输处理，而且能够达到远程传输。
　　3 宠物定位与监控系统的总体设计
　　3.1 系统设计的创新点
　　3.1.1 ZigBee室内定位优缺点
　　通过本文上部分对AGPS定位的叙述，我们了解到其在室外等空旷地区定位时的精度一般可达约十米以及首次捕获GPS信号的时间通常只需几秒。但是AGPS定位也有劣势的地方：（1）AGPS室内定位不精准的问题目前仍然无法得到解决，同样必须通过多次网络传输（最多可达六次单向传输）占用了大量的空中资源同时耗费了更多的移动网络流量。（2）AGPS的定位系统同时也受天气的影响，大雾、雾霾以为台风都会使系统的定位不够准确有时甚至无法完成数据传输。（3）设备必须联网才能使用。而且如果在网络覆盖不到的范围内AGPS基本失去作用。（4）使用AGPS定位的电子设备产品耗电量大，对产品的性能要求高。
　　3.1.2 全景摄像头
　　虽然AGPS定位、ZigBee定位、地理围栏等技术实现了对宠物活动范围的监控，但还是不能观察到宠物的具体行为。为了加深用户对宠物进一步的了解，增加全景摄像头可观察宠物的日常行为活动同时对防盗起了一定的帮助。加入全景摄像头相当于对产品增加了视觉效果，这对于产品的实现又有了一项艰巨的任务，传感器窗口、图片输出尺寸大小设置先不说，串口接受摄像头的图像信号就是一大难点，并且只能使用Esp8266wifi串口模块。需要从wifi接收数据，串口输出，再到串口接收数据，wifi输出。Esp8266的协议是其中的重点环节，另外摄像头动态传输也是难点之一。
　　3.2 系统设计的目标
　　本文采用基于AGPS室外定位、ZigBee室内定位、GSM模块、STM32F103MCU、全景摄像头等多项技术实现对宠物全方位定位与行为监控，收集的信息可供宠物行为语义分析研究。AGPS与ZigBee的高精度定位技术分别实现了对宠物室内外定位，用户可以随时通过手机应用APP获取宠物当前的位置，起到宠物安全监督和宠物防盗的作用。追加基于高德地图的地理围栏，用户可以通过手机应用APP为宠物设定一个监控范围。此外，通过全景摄像头还可以实现对宠物的时时监控并对其活动和行为进行相关记录。
　　4 研究工作的展望
　　本文的研究重点是定位与监控，但是其定位算法是建立在二维平面上展开，所以未来的研究工作可以向三维方面进行发展。虽然二维向三维过渡会遇到各种难题，但是克服这些难题可以使定位系统上升到全新的高度。
　　参考文献：
　　[1]何平.基于ZigBee技术的定位研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2012.
　　[2]周峰.基于Android智能手机平台的GPS开发[J].大众科技，2012，14（157）：26，31-32.
　　[3]郭海琦.基于ZigBee的无线传感器网络定位算法的研究与应用[D].成都：西南交通大学，2010.
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