双模定位自适应可穿戴设备的研究_邱阳.pdf
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1、设备管理与维修2023 5(下)0引言伴随科技的快速发展,人们对服饰的智能化要求也随之提高。在极端恶劣环境下工作的人员,无论是工作在极寒地区还是赤道附近,都对温度的调节和安全性有更高的要求,传统的服饰可以起到清凉或御寒的效果,但无法根据环境温度自适应调节温度,给使用者以相对舒适的体感。不仅如此,身负特殊工作任务的人员还需要精准定位以实现自保。1993 年,麻省理工学院曾研制出一款智能化背心,将传统面料与嵌入式系统结合,是智能服饰的开端1。但该款产品的响应速度、功能性和集成度方面都需较大改进。近年来,功能性服饰融入定位技术,但仍存在定位不准确或没有位置坐标等问题2。研究的可穿戴设备选用 Ardu
2、ino 控制器,采用北斗+GPS 双模定位,从人体工程学角度进行设计,兼具自适应环境温度和定位救援双重功能。1系统总体设计1.1功能要求应用北斗+GPS 双模定位算法,实现即时定位、自适应调温、可传输距离大的功能。具体特点有:即时定位,可实时得将装置使用者所在经纬度数据传至救援控制平台;自适应调温,可根据人体皮肤承受温度的限值不同,自适应多点位调温,实现点位御寒或清凉功能;可传输距离大,信号受遮挡物影响较小。1.2系统构成系统有 6 部分组成,分别为:Arduino 控制器、电源模块、双模定位单元、自适应单元、监控单元和显示单元。系统结构如图1 所示。Arduino 控制器为主控单元,由温控服
3、内嵌的北斗+GPS 定位单元精准获取经纬度信息3,将位置数据送入 Arduino 进行处理后,经 GPRS 通信反馈至监控单元,救援控制平台即可实时得到定位信息。多点位调温单元内含温度采集模块,可对体温和环境温度进行实时检测获取,温度数据被传输至主控单元,系统自动将采集的温度值与预设温度的阈值比较,进而控制多点位调温单元升温或降温。显示单元可实时显示定位信息和体温状态,为救援人员做出判断提供依据。储能单元为系统提供电能。2北斗+GPS 定位解算为提高伪距的测量精度,系统采用卫星、地面用户接收设备间的几何间距传输时间的处理方法,但因信号在大气中传播会受到各类干扰,会出现卫星硬件延迟误差、电离层延
4、迟误差等,但可以通过测距码速率的选择、用户接收设备时延器的选择等方式进行规避。依据伪距测量方程进行双模定位的解算。设使用者空间值为(xn,yn,zn),为第 n 颗卫星坐标值,n=1,2,3,4,5,i为使用者时钟与系统时钟偏差量。针对 5 颗卫星的伪距方程为:l1=(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2+cil2=(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2+cil3=(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2+cil4=(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2+cil5=(x5-x)2+(y5-y)2+(z5-z)2+ci|(1)式(1)是伪距观测值。将式(1)去高次项
5、,可得式(2):l1=x1x1+y1y1+z1z1-cil2=x2x1+y2y2+z2z2-cil3=x3x3+y3y3+z3z3-cil4=x4x4+y4y4+z4z4-cil5=x5x5+y5y5+z5z5-ci|(2)由式(2)解得式(3):l=Hx(3)由式(1)、(2)、(3),可得式(4):x=y-H(4)其中,x 为使用者状态向量,y 为(n1)维向量,H 为观测矩摘要:在极寒或极热等恶劣环境工作或生活的人们,对可穿戴设备的要求越来越高,无论是舒适度还是安全性都有了更高的需求。研究的设备基于 Arduino 控制系统,可以实现双模定位保证安全性,并自适应环境温度,提高消费者穿戴的
6、舒适度。关键词:双模定位;自适应;Arduino中图分类号:TP23文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.58双模定位自适应可穿戴设备的研究邱阳(德州职业技术学院电气工程系,山东德州253034)图 1双模定位自适应可穿戴设备控制系统结构134设备管理与维修2023 5(下)阵,为测量误差向量。经最小二乘法处理,得式(5):x=lHT(HTH)-1(5)由式(5)增加对称矩阵 X,得式(6):x=XlHT(HTXH)-1(6)式(6)为双模定位系统最终解算结果。3系统硬件设计3.1主控电路设计主控电路选取 Arduino UNO R3,有独
7、立的微控制器,Arduino通常是 ATMEL 公司生产的,Arduino 主 IC(集成电路)与板对板略有不同。Arduino 板可通过 USB 线供电,Arduino UNO 有 6 个模拟输入引脚,A0 到 A5。这些引脚可以从模拟传感器读取信号,并将其转换为可由微处理器读取的数字值。Arduino UNO 共有数字式 I/O 引脚 14 个,包含 PWM 输出 6 个。数字式 I/O 既可以用于读取 0、1 值,也可以作为数字输出以驱动各类器件。Arduino 基于各类传感器得到外在环境数据,进而控制执行装置,最后作用于环境。3.2双模定位电路设计双模定位自适应可穿戴设备选用北斗+GP
8、S 系统的组合,双模定位单元与单模定位相比:北斗+GPS 组合算法可提高寻星定位的精度和准确度4,尤其在极端环境可见星较少时性能更优;北斗+GPS 组合采用精度较高的北斗时钟,授时和定位都更具优越性;北斗+GPS 组合可播报 Ionogrid,电离层误差更低。系统选用泰斗微电子的 N303-3 模块,内部涵盖用于天线检测的电路和具备管理功能的电源电路5,可支持 TD1030,为系统提供低功耗、高性价比和高灵敏度的定位算法6。双模定位模块串接到 Arduino UNO R3 开源板上,通过 Arduino软件工具,设置双模定位模块的刷新频率和PWM脉冲宽度。3.3多点位调温电路设计自适应调温电路
9、选用 QT18B20 数字温度传感器。该芯片单总线接口,但可实现双向通信。芯片适用温度范围为-1085,精度误差为 0.5,同时配有高低温报警,保证穿戴式北斗+GPS 定位温控服使用环境。为保证系统可根据人体不同部位对外界环境适应温度的不同而改变,引入多点调温理念,并联多个 QT18B20,将采集到的温度数据传送至 Arduino UNO R3,经过 PID 调节 PWM 占空比,控制 MOS 管的开关7,进而控制调温系统,并将温度信息反馈至监控单元。3.4显示电路设计系统选用可在黑暗环境工作的 OLED 显示屏,基于 I2C 通信协议与 Arduino 进行通信,将定位监测软件安装到电脑上,
10、可以显示经纬度信息,可设置 PPS、输出帧、定位波特率等数据。3.5电源电路设计Arduino UNO R3 输入电源是 5 V,电路设有稳压电路,还应用电源电压转换电路,将 12 V 电源转为 5 V 电源,提高电路带载能力。4系统软件设计系统控制程序流程如图 2 所示。主控电路上电复位后,进入主程序初始化。初始化流程含硬件初始化、PID 数据初始化、计时器初始化、GPRS 初始化和定位模块初始化8。初始化结束,当使用者在恶劣环境中求救时会启动定位按键,Arduino UNO R3自动读取定位数据和温度数据,将定位数据即时传送至救援中心监控系统,同时启动多点位温控系统,为使用者提供人体所需温
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