基于OpenHarmony的智慧牧场方案：生物运动轨迹跟踪篇

电子发烧友开源社区 2022-11-25 844

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描述

 前文回顾

《智慧牧场之生物姿态检测篇》

《智慧牧场之生物心率检测篇》

1. 背景知识

1.1 牧场定位的意义

在智慧牧场解决方案中，实时检测牲畜的活动状况是非常重要的环节。现在已经不是放牛和牧羊犬的时代了。面临大范围牧场上牲畜走失，寻找困难，过度放牧导致草场退化等问题，通过穿戴式的生物跟踪部件，可以有效解决以上的问题。

当大量牲畜散布在地面上时，牧场管理员往往发现很难跟踪正在发生的事情。需要一个系统来确定牲畜在任何给定时间的位置和行驶的距离。此外，跟踪系统也会防止任何类型的盗窃，因为牧场管理员可以使用跟踪报告来定位被盗牲畜。 

 

1.2 室外定位技术比较

目前的室外定位技术，大体上分为如下几种类别：

信号载体 典型定位方式 定位精度 不足
北斗/GPS卫星民用领域 3个观测方程式求解位置 10米级 遮挡影响较大
蜂窝移动网络GSM 基于TC-OFODM信号进行测距定位 100米级 对基站依赖程度较高
5G‍ 超密集组网下的定位技术/面向5C的TDOA和AOA定位技术、面向5G网络上行定位和下行定位 100米级 抗干扰有局限性
惯性导航 基于航位推算方法 米级 存在累计漂移误差
地球磁场‍ 基于信号场强定位或与其他技术组合应用 米级 地球指纹特征差异小

基于GPS和GSM的定位在全世界被广泛使用，可以用来确定其所连接生物的精确位置。这种器件成本低、可靠性高，并具有精确跟踪功能。可以提供有效、实时的物体、生物的位置报告和时间信息。

2. 解决方案概要

该方案采用基于全球移动通信系统（GSM）技术和GPS技术的嵌入式系统。该系统安装在生物穿戴设备中。接口GSM模块连接到Hi3861。该系统提供以下功能：a）位置信息，b）使用短信进行实时跟踪。

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3. 硬件设计

3.1 SIM808模块调制解调器模块

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可以选用GSM、GPRS、GPS三合一功能的SIM808模块。支持GSM/GPRS Quad-Band网络，结合GPS技术进行卫星导航。它具有睡眠模式下的超低功耗，并集成了锂离子电池充电电路，使其具有超长的待机时间，方便使用可充电锂离子电池的项目。它具有高 GPS 接收灵敏度，具有 22 个跟踪和 66 个采集接收器通道。模块通过 UART（编者注：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用异步接收器/发送器的英文缩写） 由 AT 指令控制，支持 3.3V 和 5V 逻辑电平。

GSM调制解调器的工作基于命令，命令始终以“AT开头”（表示注意），以“＜CR＞字符结束”，例如拨号命令是ATD＜number＞；ATD7814629081；这里，拨号命令以分号（；）结束。在Hi3861的帮助下，该AT命令被提供给GSM调制解调器。GSM调制解调器在MAX 232 IC的帮助下与微控制器串行连接。GSM指定的频率范围为1850到1990 MHz（移动台到基站）。

3.2 Hi3861

Hi3861开发板模组大小约2cm*5cm，是一款高度集成的2.4GHz WLAN SoC。

Hi3861芯片集成高性能32bit微处理器、拥有丰富的外设接口，芯片内置SRAM(编者注：Static Random-Access Memory 静态随机存取存储器的英文缩写)和Flash，并支持在Flash上运行程序。

Hi3861模组有2MB FLASH，352KB RAM。但我们编写代码时，要注意对有限资源的合理利用。

Hi3861可以说是麻雀虽小，五脏俱全。Hi3861的外设接口包括(外部主晶振为40M或者24M)：

  • 2个SPI(Synchronous Peripheral Interface)

  • 3个UART(Universal Asynchronous Receiver & Transmitter)

  • 2个I2C(The Inter-Integrated Circuit)

  • 6路PWM(Pulse Width Modulation)

  • 15个GPIO(General Purpose Input/Output)

  • 7路ADC(Analog to Digital Converter)

  • 1个I2S接口

  • 1个高速SDIO2.0(Secure Digital Input/Output)接口，最高时钟可达50MHz;

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Hi3861主控功能框架图如下：

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在该系统中，它用于同步GSM和GPS的操作。GPS连续向微控制器发送位置数据，即车辆位置的纬度和经度，而GSM从微控制器发送和接收数据。GPS调制解调器连续提供许多参数作为输出，但只有NMEA（编者注：National Marine Electronics Association 国家海洋电子协会的英文缩写）数据被读取并“显示在OLED上”。将相同的数据发送给移动用户，以便可以知道车辆的确切位置。用户的移动号码存储在EEPROM（编者注：Electrically Erasable Programmable read only memory 带电可擦可编程只读存储器 的英文缩写）中。

4. 软件设计

软件编程是用C语言完成的。GPS从卫星接收的数据（坐标）在软件中定义。解码NMEA（国家海洋电子协会）协议是开发该软件的主要目的。软件程序中应包含用户的手机号码，以便从我们在GSM调制解调器中使用的SIM卡接收位置值。NMEA协议由一组ASCII字符集的消息组成。GPS接收数据并以ASCII逗号分隔的消息字符串的形式显示。$'在每条消息的开头使用符号。位置（纬度和经度）的格式为ddmm。mmmm（度数分钟和十进制分钟）。软件协议由GGA（编者注：Global Positioning System Fix Data 全球定位系统固定数据）和GLL（编者注：Geographic Position 地理位置-纬度/经度）组成。但在这个系统中，我们只使用GGA。系统流程图如下所示：

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具体代码实现：

/***** 获取电压值函数 *****/
static float GetVoltage(void)
{
    unsigned int ret;
    unsigned short data;


    ret = AdcRead(WIFI_IOT_ADC_CHANNEL_5, &data, WIFI_IOT_ADC_EQU_MODEL_8, WIFI_IOT_ADC_CUR_BAIS_DEFAULT, 0xff);
    if (ret != WIFI_IOT_SUCCESS)
    {
        printf("ADC Read Fail
");
    }


    return (float)data * 1.8 * 4 / 4096.0;
}


/* input:AT+CGNSINF Command Response
* output:struct GGPS_DATA
*/
static void GPS_CGNSINF_Analyze(char *origin, GGPS_DATA *gpsdata)
{
    int counter = 0;
    char tmp[150] = {0};
    char *lptr = NULL;
    char *localptr = NULL;


    lptr = (char *)strstr(origin, "+CGNSINF");
    if (lptr == NULL)
    {
        return;
    } else {
        lptr += 10;
    }
        
    while (*lptr != '')
    {
        if (*lptr == ',' && *(lptr + 1) == ',')
        {
            tmp[counter] = *lptr;
            counter++;
            tmp[counter] = '0';
        } else if (*lptr == '
' && *(lptr + 1) == '
' && counter < 148)
        {
            tmp[counter] = '0';
            tmp[counter + 1] = ',';
            tmp[counter + 2] = 0;
            break;
        } else {
            tmp[counter] = *lptr;
        }
        lptr++;
        counter++;


        /* avoid array out of range */
        if (counter >= GNSINF_MSG_MAX_LEN){
            return;
        }


    }
    /* Clear struct data */
    memset(gpsdata, 0, sizeof( GGPS_DATA));


    localptr = (char *)strtok(tmp, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->GNSSrunstatus, localptr, sizeof(gpsdata->GNSSrunstatus));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->Fixstatus, localptr, sizeof(gpsdata->Fixstatus));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->UTCdatetime, localptr, sizeof(gpsdata->UTCdatetime));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->latitude, localptr, sizeof(gpsdata->latitude));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->logitude, localptr, sizeof(gpsdata->logitude));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->altitude, localptr, sizeof(gpsdata->altitude));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->speedOTG, localptr, sizeof(gpsdata->speedOTG));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->course, localptr, sizeof(gpsdata->course));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->fixmode, localptr, sizeof(gpsdata->fixmode));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->Reserved1, localptr, sizeof(gpsdata->Reserved1));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->HDOP, localptr, sizeof(gpsdata->HDOP));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->PDOP, localptr, sizeof(gpsdata->PDOP));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->VDOP, localptr, sizeof(gpsdata->VDOP));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->Reserved2, localptr, sizeof(gpsdata->Reserved2));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->satellitesinview, localptr, sizeof(gpsdata->satellitesinview));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->GNSSsatellitesused, localptr, sizeof(gpsdata->GNSSrunstatus));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->GLONASSsatellitesused, localptr, sizeof(gpsdata->GLONASSsatellitesused));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->Reserved3, localptr, sizeof(gpsdata->Reserved3));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->CN0max, localptr, sizeof(gpsdata->CN0max));


    localptr = (char *)strtok(NULL, ",");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->HPA, localptr, sizeof(gpsdata->HPA));


    localptr = (char *)strtok(NULL, "
");
    if (localptr == NULL)
    {
        return;
    }
    strncpy(gpsdata->VPA, localptr, sizeof(gpsdata->VPA));
}


static void GsmCheckRingAndHanupMessage(void)
{
    if (strstr(g_uart_buff, "RING") != NULL)
    {
        printf("ring.
");
        if (GsmGetConnectSts() == false)
        {
            GsmSetRingSts(true);
        }
    }
    if (strstr(g_uart_buff, "NO CARRIER") != NULL)
    {
        printf("hang up.
");


        GsmSetHungUpSts(true);


        if (GsmGetConnectSts() == true)
        {
            GsmSetConnectSts(false);
        }
    }
}


static uint32_t GsmSendCmd(char *cmd, int len)
{
    if (cmd == NULL || len <= 0)
    {
        return HI_ERR_FAILURE;
    }


    uint32_t ret = HI_ERR_FAILURE;
    static uint32_t count = 0;
    uint8_t *uart_buff_ptr = g_uart_buff;


    ret = hi_uart_write(DEMO_UART_NUM, (hi_u8 *)cmd, len);
    if (ret == HI_ERR_FAILURE)
    {
        return HI_ERR_FAILURE;
    }
    printf(" SendData%d,cmd:%s.
", len, cmd);


    while (g_uartController.isReadBusy)
    {
        count++;
        if (count > UART_WAIT_COUNT_MAX)
        {
            break;
        }


    }


    if (g_uartController.isReadBusy)
    {
        printf("GsmSendCmd hi_uart_read busy return");
        return HI_ERR_FAILURE;
    }
    if (!g_uartController.isReadBusy){
        usleep(100000); /* sleep 100ms */
    }


    g_uartController.isReadBusy = true;
    g_ReceivedDatalen = hi_uart_read(DEMO_UART_NUM, uart_buff_ptr, UART_BUFF_SIZE);


    if (g_ReceivedDatalen > 0)
    {
        printf(" rcvData len:%d,msg:%s.
", g_ReceivedDatalen, g_uart_buff);
        if (strstr(g_uart_buff, "OK") != NULL)
        {
            GsmCheckRingAndHanupMessage();
            memset(g_uart_buff, 0, sizeof(g_uart_buff));
            g_ReceivedDatalen = 0;
            g_uartController.isReadBusy = false;
            return HI_ERR_SUCCESS;
        }
        else
        {
            printf(" received error cmd
");
            GsmCheckRingAndHanupMessage();
            memset(g_uart_buff, 0, sizeof(g_uart_buff));
            g_ReceivedDatalen = 0;
            g_uartController.isReadBusy = false;
            return HI_ERR_FAILURE;
        }
    }
    else
    {
        g_uartController.isReadBusy = false;
        printf(" SendCmd no cmd return!
");
        return HI_ERR_FAILURE;
    }


    return HI_ERR_SUCCESS;
}




uint32_t GpsGetLocation(GGPS_INFO *gpsInfo)
{
    uint32_t ret = HI_ERR_FAILURE;
    static uint32_t count = 0;
    uint8_t *uart_buff_ptr = g_uart_buff;


    ret = hi_uart_write(DEMO_UART_NUM, (hi_u8 *)"AT+CGNSINF
", strlen("AT+CGNSINF
"));
    if (ret == HI_ERR_FAILURE)
    {
        return NULL;
    }


    while (g_uartController.isReadBusy)
    {
        count++;
        if (count > UART_WAIT_COUNT_MAX)
        {
            break;
        }
        usleep(100000); /* sleep 100ms */
    }


    if (g_uartController.isReadBusy)
    {
        printf("GpsGetLocation hi_uart_read busy return");
        return HI_ERR_FAILURE;
    }else{
        usleep(100000); /* sleep 100ms */
    }


    g_uartController.isReadBusy = true;
    g_ReceivedDatalen = hi_uart_read(DEMO_UART_NUM, uart_buff_ptr, UART_BUFF_SIZE);


    if (g_ReceivedDatalen > 0)
    {
        printf(" rcvData len:%d,msg:%s.
", g_ReceivedDatalen, g_uart_buff);


        uint8_t *strLocation = (uint8_t *)strstr(g_uart_buff, "+CGNSINF: 1,1");


        if (strLocation != NULL)
        {
            GGPS_DATA gpsData;
            GPS_CGNSINF_Analyze((char *)g_uart_buff, &gpsData);


            printf("latitude:%s.
", gpsData.latitude);
            printf("logitude:%s.
", gpsData.logitude);


            memcpy_s(gpsInfo->UTCdatetime, sizeof(gpsInfo->UTCdatetime), gpsData.UTCdatetime, sizeof(gpsData.UTCdatetime));
            memcpy_s(gpsInfo->logitude, sizeof(gpsInfo->logitude), gpsData.logitude, sizeof(gpsData.logitude));
            memcpy_s(gpsInfo->latitude, sizeof(gpsInfo->latitude), gpsData.latitude, sizeof(gpsData.latitude));
            memcpy_s(gpsInfo->satellitesinview, sizeof(gpsInfo->satellitesinview), gpsData.satellitesinview, sizeof(gpsData.satellitesinview));


            GsmCheckRingAndHanupMessage();


            memset(g_uart_buff, 0, sizeof(g_uart_buff));
            g_ReceivedDatalen = 0;
            g_uartController.isReadBusy = false;


            return HI_ERR_SUCCESS;
        } else {
            GsmCheckRingAndHanupMessage();
            memset(g_uart_buff, 0, sizeof(g_uart_buff));
            g_ReceivedDatalen = 0;
            g_uartController.isReadBusy = false;
            return HI_ERR_FAILURE;
        }
    } else {
        printf(" SendCmd no cmd return!
");
        g_uartController.isReadBusy = false;


        return HI_ERR_FAILURE;
    }
}


uint32_t GsmCallCellPhone(char *cellPhoneNumeber)
{
    uint32_t ret = HI_ERR_FAILURE;
    char sendCmd[32] = "";
    uint8_t cPhoneNumLength = strlen(cellPhoneNumeber);


    if (cPhoneNumLength < PHONE_NUMB_LEN)
    {
        return HI_ERR_FAILURE;
    }


    /* Send AT+CSQ. */
    strncpy(sendCmd, "AT+CSQ
", strlen("AT+CSQ
"));
    printf(" sendCmd=%s
", sendCmd);
    ret = GsmSendCmd(sendCmd, strlen(sendCmd));
    if (ret == HI_ERR_FAILURE)
    {
        return HI_ERR_FAILURE;
    }
    memset(sendCmd, 0, strlen(sendCmd));


    /* Call cellPhone Number:ATD+cellPhoneNumber. */
    snprintf(sendCmd, sizeof(sendCmd), "ATD%s;
", cellPhoneNumeber);
    printf(" sendCmd=%s
", sendCmd);
    ret = GsmSendCmd(sendCmd, strlen(sendCmd));
    if (ret == HI_ERR_FAILURE)
    {
        return HI_ERR_FAILURE;
    }


    return HI_ERR_SUCCESS;
}

 

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未完待续……

后期预告《智慧牧场之室内管理系统篇》  

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原文标题：基于OpenHarmony的智慧牧场方案：生物运动轨迹跟踪篇

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