一种基于GPS的智能宠物防丢失器设计 - 全文

随着人们生活水平的提高，社会经济的发展和城市化进程的加速，社会老龄化步伐加快，独生子女家庭和丁克家庭和空巢老人越来越多，饲养宠物成为许多家庭必不可少的生活方式，于此同来的是宠物的丢失问题。而且有的宠物十分昂贵，一旦宠物丢失会给人们带来很大损失，而且丢失的宠物无人管理，还会造成环境污染。当今市场目前已批量生产的防丢装置还主要针对于人类，针对宠物的还鲜而少见。本文的防丢失器则专为宠物设计，实现宠物的远距离快速定位，和远离报警功能。

本装置基于AT89C52单片机作为MCU，结合无线通信模块nRF2401的无线距离报警器，通过从机向主机不间断的发送信号当从机离开主机能够接受的范围时母机会自动进行声光报警。并且采用无线通信技术和全球卫星定位（GPS）技术，成本低廉，能监控较大范围，操作简单，而且数据传输快。利用GSM系统，我们可以迅速将宠物的位置以信息的方式传送至用户的手机，做到对宠物的实时监控。

1、系统的硬件设计

宠物防丢失器的硬件主要由以下四部分构成，即单片机控制模块、GPS模块、GSM模块、和声光报警模块。单片机控制模块负责对整体数据进行处理，并且根据指令对系统处理；GPS模块负责接收位置数据；GSM模块负责将位置信息发给用户；声光报警模块在宠物与人距离超过200m时，发出声光报警信号。硬件构成如图1所示。

图1

1.1、单片机控制电路

系统单片机采用了AT89C52。AT89C52具有功耗低，性能高的优点。内部有8位的FlashPEROM，可以反复擦写；并且有256x8bit内部RAM；而且内部有低功耗空闲和掉电模式，睡眠和唤醒功能。满足了防丢失器对读写速度和功耗的要求。本系统还增加了串口扩展芯片GM8123，从而实现了GPS、GSM的同时通信。

1.2、GPS模块

本系统采用了全球市占率第一的SiRFIII系列——SIRF三代。SIRF三代芯片组的GPS模块性能极优，灵敏度高，功耗低，定位时间短，能帮助客户快速的进入了定位应用状态。该芯片定位精度在10m内，可同时追踪20个卫星轨道。数据线接口为六线接插件，需要三根输出线，第一脚接直流正电源，第五脚接电源地，第二脚接GPS，输出驱动能力为2mA，可直接与单片机接口对接。

1.3、声光报警模块

本模块的无线射频信号发射器采用了nRF24L01芯片。电路包括nRF24L01与单片机的接口电路和其外围电路。本模块利用GPIO模拟SPI接口工作，进而控制nRF24L01芯片，很好的解决了ST895C52没有SPI控制器的问题。另位我们在这里采用了电平转换和分压处理电路，将ST89C52单片机供电电压5V转化到了nRF24L01的VCC脚接电压范围内。如图2所示。

图2

此外还有声光报警电路，此电路采用PNP三极管，Q1只起到开关的作用，当基极输入高电平时，三极管停止工作，蜂鸣器不发声，输入低电平时，三极管被导通时，蜂鸣器发。出警报声。

1.4、GSM模块

GSM模块可以实时将宠物的位置信息传送到用户的手机，况且位置信息需要的数据长度较短，短信按条计费，成本低，可以方便快捷的实现对宠物的保护。本系统应用德国西门子的DTP_RD+模块，GSM模块通过RS232串口与单片机相连，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现无线通信功能，可以实现短信报警功能。如图3所示。

图3 GSM模块借口电路

2、系统的软件设计

2.1、信号发射与接收

单片机对nRF24L01芯片的控制包括其初始化，发送数据和接受存储数据。整个过程为先使接收电路上电，接收机处于接受状态，然后运行发射机的程序，将单片机预存数据发出，如果子母机在我们设定的范围内，毫秒内接收模块就可以接收到发射机传送的信号，此时不会触动报警，如果超出范围，接收机无法收到信号，蜂鸣器就会声光报警。我们通过报警情况就能方便快捷的知道宠物是否在一个安全的范围里。发射和接收流程如图4、图5所示。

图4  发射机流程图

图5 接收机流程图

2.2、GSM短信息服务

GSM含有一个微控制器，它能将接收到的位置信息以短消息的形式传递给手机用户。这里主要是应用一个AT指令实现对GSM模块的处理。首先需要对模块进行初始化，然后控制器通过串口发送指令，具体流程如下：首先需要连接，在连接成功后；我们发出指令设置短信的格式：AT+CMGF=m。然后设置短信的接收人及短信：

AT+CSCA=”****”。最后因为SIM存储有限，我们需要对之前的数据进行删除，当系统收到新的短信后，之前短消息就将立刻删除，这样清空SIM容量有助于下次接收短信所需要的缓存空间。删除指令为AT+CMGD=INDEX，删除信息后模块将返回OK。

2.3、GPS数据接受及解析

GPS的通讯协议方式有很多种，本装置使用的是目前比较通用的标准协议是NMEA－180。微控制器通过串口接收GPS模块传输的标准格式的数据，因为GPS的特殊性，其需要在有不少于四颗星可见的前提下才能获取定位数据，所以在刚开始启动系统模块的时候，定位数据不一定是有效的数据或者是不正确的数据，在处理数据之前必须对所得到的数据进行判断。当确认收到GPS数据帧之后，根据NEMA－180协议是以逗号分割数据的特点进行数据解析。依次得到UTC时间，纬度，南纬/北纬，经度，东经/西经，UTC日期。具体流程图下图6。

图6 GPS解析流程

3、结束语

基于单片机的宠物防丢失系统结合了卫星定位技术，无线电移动通信技术，信号处理技术，通过软硬件的设计实现了全面的防丢失技术，不仅适用于宠物，更适用于各种防丢失物品，在很多领域具有大的发展潜力，可与多个领域配合使用。

本商品结构简单，稳定性高，成本低廉，适用于各家各户，符合时代潮流，做到了真正的全天候、全过程、全方位防丢失。