基于MSP430的GPS定位智能拐杖設(shè)計(jì)

1、基于的定位智能拐杖設(shè)計(jì)msp430gps魏慶麗a，b ，許鵬a ，李軍a ，隋宇鵬a ，方遠(yuǎn)韜a ，刁庶a( 吉林大學(xué) a 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院; b 地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130026 )摘要: 為保證老年人出行安全，出現(xiàn)意外情況能及時(shí)求助，通過(guò)分析遠(yuǎn)程定位技術(shù)，根據(jù)衛(wèi)星定位的快速性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了以 msp430f149 單片機(jī)為核心處理器、garmin oem ( orignd equipment manufactuce ) 板為 gps ( global positing system) 模塊、nrf905 為無(wú)線收發(fā)器、ampire12864 為 lcd( liq

2、uid crystal display) 顯示器的智能 定位拐杖。定位裝置接收衛(wèi)星信號(hào)，由 nrf905 接收發(fā)送定位信息，通過(guò) lcd 顯示準(zhǔn)確位置，使老人的出行安全 得到保障。關(guān)鍵詞: 無(wú)線通信; 智能拐杖; 求助; msp430 單片機(jī)中圖分類號(hào): tn927文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:adesign of gps positioning intelligent crutcheswei qing-lia，b ，xu penga ，li juna ，sui yu-penga ，fang yuan-taoa ，diao shua( a college of instrumentation and elect

3、rical engineering; b key laboratory of geo-exploration and instrumentation of education ministry，jilin university，changchun 130026 ，china)abstract: in order to ensure that the old travel safely and they can seek for help quickly when unexpected cir-cumstances appear through the analysis of the remot

4、e location technology，according to the satellite positioning of the quickness and accuracy an intelligent positioning crutch is designed using msp430f149 single chip as the core processor，garmin oem ( orignd equipment manufactuce ) as the gps ( global positing system ) chip，nrf905 as the wireless tr

5、ansceiver，ampire12864 as the lcd( liquid crystal display) monitor nrf905 receiveand send data，and display accurate position through the lcd this increased security for the olds travellingkey words: wireless communication; intelligent crutches; help; msp430 chip引言0中國(guó)人口年齡結(jié)構(gòu)已開始進(jìn)入老齡化階段，老年人的生理機(jī)能隨著年齡的增長(zhǎng)開始

6、衰退。如果老年人的出行安全不能得到保障，會(huì)為家人和社會(huì)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。隨著科技的高速發(fā)展，老年人的生活用品已越來(lái)越豐富?，F(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外已有很多專門適用于老年人的 產(chǎn)品，如: 急救藥袋、定時(shí)提醒藥盒等。但這些產(chǎn)品大都缺少定位功能，使老人在無(wú)法進(jìn)行自救時(shí)不能得到 有效快速的幫助與治療1。針對(duì)現(xiàn)有老年產(chǎn)品的缺點(diǎn)與不足，依據(jù)定位技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊 以及單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型智能拐杖，該設(shè)計(jì)在發(fā)生意外情況時(shí)可以準(zhǔn)確定位老人位置，通過(guò)拐杖 一鍵救助功能及時(shí)得到救治。收稿日期: 2012 -04 -16基金項(xiàng)目: 吉林大學(xué)創(chuàng)新計(jì)劃基金資助項(xiàng)目( 2011 c65283 )作者簡(jiǎn)介: 魏慶麗( 197

7、2 ) ，女，吉林伊通人，吉林大學(xué)工程師，主要從事電子儀器與測(cè)量技術(shù)研究，( tel ) 86 ( e-mail )weiql jlu edu cn; 通訊作者: 刁庶( 1986 ) ，女，長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)研究生，主要從事電子儀器與測(cè)量技術(shù)研究，( tel ) 86 ( e-mail) diaoshu jlu edu cn。吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 信 息 科 學(xué) 版)第 30 卷446設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的拐杖主要根據(jù)定位原理、微機(jī)原理和無(wú)線通信技術(shù)，采用 gps( global positing system) 全球定位芯 片、單片機(jī)、無(wú)線收

8、發(fā)裝置2，使用集成芯片的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)兼容性好、簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、可靠，可進(jìn)行模塊化 設(shè)計(jì)，易于理解。由 gps 芯片接收衛(wèi)星發(fā)出的位置信息，經(jīng)處理器處理，通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置傳送，并經(jīng)處理后 由 lcd( liquid crystal display) 屏顯示。當(dāng)進(jìn)行求助時(shí)，將會(huì)在屏上顯示求助者的位置信息。1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)筆者設(shè)計(jì)的拐杖包括: 定位模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和顯示模塊。定位模塊主要由 gps 芯片和 cpu 處理 器組成，無(wú)線收發(fā)模塊主要由無(wú)線接收發(fā)裝置組成，顯示模塊主要由 cpu 處理器和顯示屏組成，在 3 個(gè)模塊協(xié)調(diào)配合工作 下實(shí)現(xiàn)定位功能。其工作過(guò)程是: 突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，使用者啟 動(dòng)一

9、鍵求助功能，將求助信號(hào)送至定位模塊的 cpu 處理器， cpu 處理器啟動(dòng) gps 接收衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)處理后解密為標(biāo)準(zhǔn)的 經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過(guò) gps 處理單元解析轉(zhuǎn)為定位信息，回送給 cpu 處理器，由無(wú)線收發(fā)模塊將信息發(fā)送給顯示模塊中的2cpu 處理器進(jìn)行分析并處理為位置信息，最后通過(guò)顯示器顯示位置信息，完成定位功能。其硬件系統(tǒng)組成如圖 1 所示。圖 1 硬件系統(tǒng)組成框圖fig 1 block diagram of the hardware system定位模塊rockwell 公司的“jupiter”gps-oem 板定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性，12 道并行 通道，瞬間鎖定可

10、視衛(wèi)星、長(zhǎng)壽命后備鋰電池使重捕速度更快、全屏蔽封裝具備優(yōu)秀抗電磁干擾特點(diǎn)，其位 置精度為 15 mrms( sa off) /10 m( 差分) 、速度精度達(dá)0 1 m / s，適合在拐杖中使用3?？紤]到 msp430f149 單片機(jī)的輸入輸出電平與 oem( orignd equipment manufactuce) 板的輸入輸出電平不符，因此這里需要加入 雙電瓶轉(zhuǎn)換電路4。如圖 2 所示，可使用電平轉(zhuǎn)換芯片 max232，其內(nèi)設(shè)電荷泵，單電源供電，可以有效進(jìn)行 電平轉(zhuǎn)換。為了提高 cpu 的使用率，設(shè)計(jì)采用中斷方式從串口接收 oem 板的數(shù)據(jù)5。同時(shí)，硬件 uart 2 通用異步接收/ 發(fā)

11、送器，可以實(shí)現(xiàn)串行異步通信中串并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使 cpu 利用率大大提高6。定位模塊原 理框圖如圖 3 所示。2 1圖 2 max232 串口電路圖fig 2 max232 serial interface circuit圖 3 定位模塊原理框圖fig 3 block diagram of the positioning principle module魏慶麗，等: 基于 msp430 的 gps 定位智能拐杖設(shè)計(jì)第 5 期447無(wú)線收發(fā)模塊挪威 nordic 公司推出的 nrf905 單片射頻發(fā)射器芯片集成度高，使用方便，通過(guò) spi 接口與微控制器 連接，功耗小于 12 5 ma。此外，具有

12、接收發(fā)送功能合一和收發(fā)完成中斷標(biāo)志，抗干擾性強(qiáng)，有很強(qiáng)的擾障 礙穿透性能7。該設(shè)計(jì)使用了 nrf905 模塊的 shockburst 工作模式和節(jié)電工作模式。2 22 2 1數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程單片機(jī)檢測(cè)到按鍵按下后，從 oem 板獲取位置信息，將 trx-ce 設(shè)置為高 tx-en 啟動(dòng) nrf905，再將位置信息通過(guò) spi 口傳送給 nrf905，由 nrf905 完成數(shù)據(jù)包( 包括前導(dǎo)碼和 crc 校驗(yàn)碼) 的發(fā)送。數(shù)據(jù)接收過(guò)程2 2 2拐杖發(fā)出數(shù)據(jù)后，接收端的 nrf905 會(huì)檢測(cè)到與接收頻率相同的載波并將檢測(cè) ( cd) 置高，等待接收有效地址并將地址匹配( am) 置高，當(dāng)數(shù)據(jù)包接收完畢

13、、檢查無(wú)誤后將緒位 ( dr) 置高，單片機(jī)便可通過(guò)spi 口讀取接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)讀出所有數(shù)據(jù)后，nrf905 自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電模式8。模塊電路如圖 4 所示。圖 4 無(wú)線模塊硬件電路圖fig 4 wireless module circuit顯示模塊2 2 3msp430f149 是 ti 公司的 16 位 risc 單片機(jī)，具有 16 位的寄存器 16 個(gè)，27 條精簡(jiǎn)指令，片內(nèi) flash60 kbyte，片內(nèi) ram 2 kbyte 以及使用雙重取數(shù)據(jù)技術(shù)，滿足應(yīng)用的要求9。ampire12864 圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)器和列驅(qū)動(dòng)器兩部分組成 128( 列) 64

14、( 行) 的全點(diǎn)陣液晶顯示?？娠@示 8 4 個(gè) 16 16 點(diǎn)陣漢字或 16 4 個(gè) 16 8 點(diǎn)陣 ascii 字符 集，也可完成圖形的顯示10。msp430f149 讀取 nrf905 接收到的數(shù)據(jù)并通過(guò) i / o 口控制 lcd 進(jìn)行顯示11。單片機(jī)的 p2 1 為 lcd 左半屏的片選信號(hào) cs1，p2 2 為 lcd 右半屏的片選信號(hào) cs2，p2 4 為 r / w 控制信號(hào)，p2 5 為 lcd 的 e 使能信號(hào)，p2 3，p2 6 分別為寄存器選擇信號(hào)和復(fù)位端口。p3 口作為 lcd 現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)( 或指令) 通訊 口12。顯示模塊電路圖如圖 5 所示。圖 5 顯示模塊電路圖fi

15、g 5 display module circuit吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 信 息 科 學(xué) 版)第 30 卷448軟件設(shè)計(jì)正常情況下，微處理器處于待機(jī)狀態(tài)，意外情況發(fā)生時(shí)，老人按下求助鍵時(shí)微處理器執(zhí)行中斷程 序13，將信號(hào)傳至 gps 處理單元，gps 開始接收衛(wèi)星信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)為定位信息，轉(zhuǎn)換完畢后將定位信 息回送給微處理器14，msp430 先把待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入 nrf905 的數(shù)據(jù)寄存器中，把“trx_ce”、“tx_en” 引腳置高便啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送。該設(shè)計(jì)選中了 nrf905 的自動(dòng)重發(fā)位，在“trx_ce”為高電平時(shí)一直重復(fù)發(fā)送 數(shù)據(jù)。程序中設(shè)計(jì)延時(shí) 500 ms，置低“trx_

16、ce”讓無(wú)線模塊回到待機(jī)模式，單片機(jī)置高“trx_ce”后便接 收數(shù)據(jù)。cpu 在 35 s 內(nèi)一直檢測(cè)“dr”引腳是否變高，如變高則可退出接收模式; 若超時(shí)后也退出。退出待機(jī) 模式后，cpu 通過(guò) spi 總線將數(shù)據(jù)從寄存器中讀出，然后輸出到 lcd，以地圖和坐標(biāo)的形式顯示在 lcd 屏 上15。程序流程圖如圖 6 所示。3圖 6 程序流程圖fig 6 process flow chart系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析設(shè)計(jì)完成后，對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行功能測(cè)試。測(cè)試方法: 將拐杖和顯示器分別給測(cè)試者 a 與測(cè)試者 b，a 與 b 隨機(jī)移動(dòng)至 600 m 范圍內(nèi)某位置進(jìn)行多次測(cè)試，a 到達(dá)某一位置后將其所在的位置通

17、過(guò)移動(dòng)電話告訴 b，再按下求助按鍵，b 對(duì)顯示的位置信息和 a 告訴的信息進(jìn)行記錄。測(cè)試結(jié)果及分析: 經(jīng) a 與 b 核對(duì)，顯示信息表示的位置與實(shí)際位置基本一致。由于該設(shè)計(jì)使用的 garmin oem 板定位誤差在 5 15 m 范圍內(nèi)，而經(jīng)緯度的最小單位 1 s，約為實(shí)際距離 30 m，實(shí)際位置與 顯示位置的誤差小于 30 m，在可視范圍內(nèi)，在 600 m 范圍內(nèi)可以對(duì)求助者進(jìn)行尋找和辨認(rèn)，且該設(shè)計(jì)的地 圖信息與經(jīng)緯度顯示準(zhǔn)確，誤差較小，定位精確，測(cè)試效果良好，滿足實(shí)際要求。4結(jié)語(yǔ)5該智能拐杖采用 gps 定位、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，基于模塊化的思想進(jìn)行總體構(gòu)建，能實(shí)現(xiàn)定位功能，精度符合實(shí)

18、際應(yīng)用的需求，為輔助老年人行走提供安全保障。當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，能及時(shí)、準(zhǔn)確獲取 老人位置，使老人在第一時(shí)間得到救助。該設(shè)計(jì)具有性能高、速度快和成本低等特點(diǎn)，符合老年人的需求， 具有一定前景及市場(chǎng)價(jià)值。參考文獻(xiàn):1鄭林欣，張帥 基于老年人生理衰退的產(chǎn)品設(shè)計(jì)j 包裝工程，2007，28( 10) : 188-210.zheng lin-xin，zhang shuai based on the elderly physiological decline of product designj packaging engineering，2007，28( 10) : 188-210.魏慶麗，等: 基于

19、msp430 的 gps 定位智能拐杖設(shè)計(jì)第 5 期4492魏小龍 msp430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 m 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2002.wei xiao-long msp430 mcu interface technology and system design example m beijing: beihang university press，2002.3elliontt d，kaplan gps 原理與應(yīng)用m 北京: 電子工業(yè)出版社，2002.elliontt d，kaplan gps principle and applicationm beijing: e

20、lectronic industry press，2002.4劉瑞華 mcs-51 單片機(jī)與 gps-oem 板串行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)j 儀表技術(shù)與傳感器，2005( 3) : 53-55.liu rui-hua mcs-51 scm and gps-oem board serial communication system design j instrument technology and sen- sors，2005( 3) : 53-55.5劉大杰，釋一民 全球定位系統(tǒng)( gps) 的原理與數(shù)據(jù)處理m 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.liu da-jie，shi yi-min the gl

21、obal positioning system( gps) principle and data processing m shanghai: tongji universitypress，2003.6張鳳舉，王寶山 gps 定位技術(shù)m 北京: 煤炭工業(yè)出版社，1997.zhang feng-ju，wang bao-shan gps technologym beijing: coal industry press，1997.7呂躍剛 基于 nrf905 無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)j 微計(jì)算機(jī)信息，2006，22( 12) : 274-275l yue-gang based on nrf905

22、wireless digital module design and its implementationj mirco computer information，2006，22( 12) : 274-2758侯海嶺，姚年春 無(wú)線收發(fā)芯片 nrf905 的原理及其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用j 儀器儀表用戶，2006，13( 3) : 70-71.hou hai-ling，yao nian-chun wireless transceiver chip nrf905 the principle and the application in the scm system j instruments use

23、rs，2006，13( 3) : 70-71.9沈建華，楊艷琴，翟驍曙 msp430 系列 16 位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用m 北京: 清華大學(xué)出版社，2004shen jian-hua，yang yan-qin，zhai xiao-shu msp430 16 ultra-low power single-chip microcomputer principle and appli- cationm beijing: tsinghua university press，2004.10劉福才，王冬云，張海良 一種實(shí)用的 msp430 單片機(jī)與 lcd 顯示器接口技術(shù)j 可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2005，93( 4) : 93-96.liu fu-cai，wang dong-yun，zhang hai-liang an applied technology of interface in msp430 and lcd system j plc fa，2005，93( 4) : 92-96.11郭強(qiáng) 液晶顯示