宠物定位项圈——硬件部分终稿

宠物定位电子项圈
——硬件部分
宠物定位电子项圈——硬件部分
摘要
随着经济的快速发展，移动物联网技术迅速飞跃，宠物市场的蓬勃兴起，人们对于移动宠物设备的需求也越来越多。

移动可穿戴设备目前只保证了对于人的需求满足，很少有对于宠物的针对性产品。

市面上设备大多数使用的是GPS或者北斗卫星导航系统，本设计以GPS模块为主WIFI模块为辅进行定位，既满足了室内外定位的需求，也满足用户使用的便捷性。

本论文设计了一款宠物定位项圈。

在室内通过宠物定位项圈与家庭WIFI的连接，如果宠物脱离了家庭WIFI的连接，则会通过GSM系统自动发送报警信息和宠物当前经纬度信息到用户手机。

在室外定位方面是用来GPS定位模块，保证了定位精度，在报警机制生效的同时，定时发送宠物定位信息给用户，用户可以通过经纬度app查询宠物所在地点。

在室内或者卫星定位较弱地区，可通过开启手机热点与宠物定位项圈的WIFI 模块进行连接，开启蜂鸣器和LED灯闪烁，保证了在信号较弱或者室内多楼层信号复杂地区的宠物寻找。

关键词：ARM、GPS、北斗、GSM
Pet locator electronic collar - the hardware part
Abstract
With the rapid development of economy, the rapid leap of mobile Internet of things technology, the booming of the pet market, people's demand for mobile pet devices is also increasing.At present, mobile wearable devices only guarantee to meet the needs of people, and there are few targeted products for pets.Most of the devices on the market use GPS or beidou navigation satellite system. This design USES GPS module as the main WIFI module for positioning, which not only meets the needs of indoor and outdoor positioning, but also meets the convenience of users.
This paper designs a pet positioning collar.In the house, the pet locates the connection between the collar and the family WIFI. If the pet is disconnected from the connection of the family WIFI, the alarm information and the current longitude and latitude information of the pet will be automatically sent to the user's mobile phone through the GSM system.In terms of outdoor positioning, it is used as a GPS positioning module to ensure the positioning accuracy. When the alarm mechanism is effective, the pet positioning information is sent to the user on a regular basis. The user can query the location of the pet through the longitude and latitude app.In indoor areas or areas with weak satellite positioning, the WIFI module of the pet positioning collar can be connected by turning on the mobile phone hotspot, turning on the buzzer and the LED light flashing, to ensure that pets are found in areas with weak signal or complex indoor multi-floor signal.
Keywords: ARM，GPS，GSMBeiDou Navigation Satellite System，GSM
目录
1绪论 (1)
1.1宠物定位项圈的背景及意义 (1)
1.2国内外可穿戴设备的发展历史及现状 (1)
1.3宠物定位项圈市场分析 (2)
1.4本设计要解决的问题 (3)
2宠物定位项圈设计 (3)
2.1基于GPS的宠物定位项圈设计 (3)
2.2宠物定位项圈设计方案分析 (3)
2.3宠物定位项圈可应用技术分析 (4)
2.3.1. 室外定位 (4)
2.3.1.1 卫星定位 (4)
2.3.1.1.1 卫星定位概念 (4)
2.3.1.1.2 卫星定位原理 (5)
2.3.1.2 基站定位 (5)
2.3.1.2.1 基站的概念 (5)
2.3.1.2.2基站定位原理 (5)
2.3.2室内定位 (5)
2.3.2.1 WIFI定位 (6)
2.3.2.2蓝牙定位 (6)
2.3.2.3 RFID定位 (6)
2.3.2.4 红外定位 (6)
2.3.2.5超声波定位 (6)
2.3.2.6超宽带(UWB)定位 (7)
2.4 宠物定位项圈方案选择 (7)
2.4.1卫星定位的优缺点 (7)
2.4.2为什么选择GPS定位 (8)
3硬件设计 (10)
3.1 系统组成结构 (10)
3.2 单片机模块电路设计 (11)
3.3 GPS模块简介电路设计 (12)
3.4 GSM模块电路设计 (17)
3.5 LCD1602液晶显示模块电路设计 (18)
3.6按键电路（含上拉电阻）设计 (19)
3.7 WIFI模块电路设计 (20)
4结论 (21)
参考文献 (24)
谢辞 (25)
附录 (26)
1绪论
1.1宠物定位项圈的背景及意义
在当前的物联网环境下，通过将定位器制作成适合家庭宠物的项圈，既保证了实用性，又不影响猫狗的日常活动。

随着经济的快速发展，大部分人的白天时间基本都在外上班，没有人在家中照顾宠物，稍有不慎，宠物就有可能丢失，特别是在密集居住区，环境较为复杂，宠物自身走丢后处于对于环境的不适应，容易躲藏在黑暗偏僻的角落中，人们在这类环境中不方便寻找宠物。

再加上宠物天性好动，即使人在家中，也容易通过门窗走失。

此外，现在部分人遛狗不牵绳，喜欢养一些好动的中型犬或者大型犬，这些犬类相对较难控制，有时候刚过一个拐角就找不到踪迹，这些原因导致了养宠家庭对于宠物定位项圈的需求。

近年来，学校里发现越来越多的流浪宠物，流浪宠物产生的原因大概可归为两点：一是主人的遗弃；二是由于看管不利造成的宠物遗失。

主人遗弃方面可通过宠物救济站解决，因此本次论文主要针对由于看管不利造成宠物遗失进行讨论解决。

宠物定位项圈可以有效监控宠物位置，可以将宠物运动轨迹通过APP展示出来，防止宠物丢失，在宠物丢失在视野内的时候也可以较为方便的进行寻找。

同时，此项圈也适用于动物园内的大型动物，通过项圈对动物进行编号，监测动物的运动轨迹，了解其运动状态。

对于放生于野外的动物，佩戴宠物项圈可方便管理人员进行野生动物的定位及数据统计调查。

1.2国内外可穿戴设备的发展历史及现状
一般将可以像眼镜，手环，手表这种穿戴在人身上的便携式智能可联网设备称为可穿戴设备，这些设备都具备了最基础的计算与连接终端功能。

随着技术发展，可穿戴设备不是早期的电子表那种纯硬件设备，而是具备了联网功能，具备联网功能意味着可以通过程序与其他终端进行数据交换，从而实现很多以前没有的功能。

在2012年，谷歌眼镜第一次亮相在大众面前，给人们对于未来生活带来了无限想象空间，从此可穿戴设备进入了一个快速增长期，在谷歌眼镜面世后的第二年，其他厂商也开始跟进谷歌眼镜，陆续推出了各种类型的智能穿戴设备，试水智能穿戴设备市场，在这些各式各样的智能穿戴设备中，智能手环作为一个比较适合人们携带相对谷歌眼镜来说技术含量没有那么大的一种类型在整个智能穿戴设备中占比较大。

到了2014年，经过一年多的产品设计生产试水期，整个智能手环市场销量开始暴涨，像华为的Talk Band B1,微软手环，索尼SWR30，小米手环，三星Activity Tracker等均表现良好，虽然智能手环品牌众多，呈百花齐放局势，但是其本身并没有取得突破性进展，仅仅是在原有功能上进行升级改
良。

不过智能手环在此局势下开始逐渐细分市场，力图在不同年龄段，不同需求之间达到细分，再加上智能手环的价格从上千元一路下降到几十元，人们对于其的接收程度也在提高。

宠物定位项圈，作为一个智能可穿戴设备，将目标人群从大众转移到养宠人群中，满足养宠人物对于宠物丢失的担忧。

1.3宠物定位项圈市场分析
伴随着中国经济的发展，中国宠物市场在一九九零年开始正式起步，在此之前都是零星的宠物交易，购买宠物的用途一般都是用来解决问题的。

比如购买狗进行看家护院，购买猫用来捕捉老鼠，这时候的人们购买宠物也不看品种，能用就行。

到了改革开放后十年的一九九零年，人们的生活水平较之前稳步提升，一小部分人先富了起来，根据马洛斯需求层次理论，人在满足了物质需求后就需要满足精神需求，养宠物就是一个能很好满足精神需求的办法。

对于富裕的人来说，普通的宠物猫狗满足不了他们的需求，得品种猫狗才行。

有需求就有市场，中国宠物市场就在此基础上开始起步。

进入二十一世界的前十年，中国宠物市场缓慢起步，根源在于对当时的经济发展水平还不够，中国宠物市场到达真正的高速发展期，二零一零年开始。

从图中可以看出，中国宠物市场规模从二零一零年起，有了爆炸式的发展，从一百四十亿元以平均每年百分之二十九的速度增长，到二零一九年，市场规模达到了两千亿，由此可见如今的养宠人群之大，极为广泛。

图1.1 宠物行业市场分析图
由下图可见，在如此广阔的市场中，宠物交易仅仅只占百分之二，占大头的则是各
项宠物增值服务，其中宠物用品占百分之十八，证明了人们对于购买宠物用品的接受度，购买力较高，宠物定位项圈这种产品也应该在宠物用品购买需求当中。

单从宠物市场活体交易最大头的宠物猫和宠物犬来看，这两种宠物都属于比较好动的宠物，对于运动量的需求高，也是走失数量做多的宠物。

在二零一九年，国内城镇地区宠物犬数量已经达到了5503万只，宠物猫数量为4412万只，正是这么庞大的城镇家庭宠物保有量，又是居住在高楼林立复杂环境，宠物一旦丢失就难以寻找。

图1.2 资本投资宠物行业分析图
1.4本设计要解决的问题
定位的精度，定位的距离、宠物项圈的便携性、超过设定范围自动报警。

2宠物定位项圈设计
2.1基于GPS的宠物定位项圈设计
本设计介绍了基于单片机的宠物定位项圈的设计与实现，控制系统以STM32为核心芯片，外围电路含有液晶显示器LCD1602，GPS，GSM电路，按键和LED灯电路组成，通过LCD模块能够将实时时间以及定位经纬度显示出来。

系统可以通过GSM模块直接发送定位信息到指定的手机用户上。

2.2宠物定位项圈设计方案分析
宠物定位项圈的设计首先应该满足的就是定位的精度，如果定位精度太差，这个产
品的意义就没有了。

当今世界，定位技术从最早的子午仪卫星定位系统到现在美国的GPS 也就是全球定位系统，国内自主研发建设的北斗卫星导航系统，根据三点定位法和通信发展引申出的基站定位，蓝牙定位，WIFI定位等等室内外定位方法，再加上现在流行的UWB超宽带定位，RFID射频识别定位，通过其他理论引申出的超声波定位，红外定位，和因为移动互联网大发展所推出的手机惯性传感器定位，LED灯光定位等等，这些定位方式有各自的优势，也有各自的缺点，各自适合的场景。

本设计方案要做的就是将这些比较流行的定位技术进行分析，寻找出适合宠物定位项圈使用场景的技术。

2.3宠物定位项圈可应用技术分析
定位技术一般分为室内定位和室外定位，应用的原理也不一样，一般来说室外定位表现较好的技术在室内定位时表现都不太好，反之亦然。

2.3.1. 室外定位
室外定位相关的技术不太多，一般都是使用GPS定位或者基站定位，以前的集成电路技术较差，人们常用的通讯终端比如手机都不怎么集成有GPS定位模块，因为当时手机还没有开始智能化，一般用途就是用来打电话发短信，人们对于手机定位的需求也不高，即使有定位使用基站定位即可，即使误差较大，人们对此的耐受度也高。

如今因为智能手机的发展，移动互联网的兴起，手机的集成度高，可以使用的功能程序也多，导航定位成为了人们使用手机的一个不大不小的需求，没有定位功能不行，定位精度误差太大也不行，也不需要定位精度太高，够用即可。

所以现在智能手机都集成有GPS模块，相应的定位技术也从基站定位转变为以GPS定位为主，基站定位为辅的定位模式。

2.3.1.1 卫星定位
2.3.1.1.1 卫星定位概念
GPS定位系统，也就是全球定位系统，因为其是第一个全球范围的定位系统，所以以后的全球卫星导航定位也都称为GPS定位。

最早的卫星定位系统是子午仪导航系统，GPS定位系统是在此基础之上发展而来的。

这个系统建设缘由是因为1957年前苏联发射了第一个人造卫星后美国跟踪其运动轨迹无意中人造卫星发射的信号在接收时会出现多普勒转移效应。

（多普勒转移效应：卫星离地面信号站距离越近，卫星，地面信号站所收到的信号频率就越高，卫星离地面信号站距离越远，相应的信号频率也就越低），正是通过这个现象，美国科学家认识到如果在知道卫星运行轨迹的前提下，可以利用这个现象，定位地面信号站的位置。

从此美国开启了子午仪卫星导航系统的建设。

子午仪卫星导航系统一共由3颗卫星组网运行，但是子午仪系统的缺陷却十分明显，只能定位远离大陆的孤岛和大型地面设施，对两个区域之间进行测距，误差也比较大。

在这之后，有了子午仪卫星定位系统的经验，美国政府决定进行升级改造推出了GPS全球定位系统
的建设计划。

GPS全球定位系统共发射21颗卫星升空组成导航星座，采用了600轨道模式，保证可以在全球范围内任意一点全天候24小时保证有6颗卫星能够被观测到。

卫星定位系统的结构都大同小异，主要分为三个部分。

第一个部分就是空间部分，也就是由多个卫星在轨道上组成星座。

第二个部分就是由检测站、控制站组成的地面信号检测站点。

第三个部分就是用户部分，用户部分即继承了卫星定位模块的终端，比如手机等。

2.3.1.1.2 卫星定位原理
卫星定位的原理就是利用三颗已知的卫星运行轨道，观测地面的信号接收终端获得卫星与地面接收终端的距离，通过三点定位原理，得出三个卫星与接收终端的方程组，解出接收终端的三维坐标（X,Y,Z），但是卫星在太空中由于受到的地球引力相对于接收终端小了四分之三，所以卫星的时钟与地面的时钟之间不同步，会有误差，而且随着卫星在轨道上移动，有时离地球近，有时离地球远，误差时间也不相同，所以需要将第四颗卫星引入方程组，此时对四个方程组进行求解可以得到接收终端的经纬度与高程。

随着技术发展，现在增加了差分GPS技术，在地面增加了差分台，利用已知的差分台的精准坐标与接收终端的观测值进行比对，消去了比如卫星钟差，对流层，大气层对信号的影响等误差，通过这样技术GPS定位的精度也从100米提高到5米。

2.3.1.2 基站定位
2.3.1.2.1 基站的概念
基站就是日常所见的铁塔上有移动标志设备，4G基站比较小，安装在住宅小区顶层看着像灯罩其实就是4G基站的天线。

基站就是无线电台，有一定的信号覆盖范围，通过通信交换中心与信号覆盖范围的移动终端之间互相信息收取，信息发送。

2.3.1.2.2基站定位原理
在通讯终端插入sim卡并且开机后，GSM模块会自动搜索区域内可用的基站并连接，且自动在多个可连接基站中选取信号强度最大的基站建立连接。

当终端位置发生异动时，相应的基站信号强度也会发生改变，根据三点确定一个圆心的定理，当终端附近能搜索到至少3个基站时，将搜索到的基站作为基点，各个基点间的距离作为半径，用此半径互相画圆，画出的各个圆的交点即是通讯终端位置、
2.3.2室内定位
室内定位技术发展态势猛烈，国家经济的发展导致城市化进程的加快，人们生活工作娱乐所处环境从以前较为空旷的地点转变现在复杂室内环境的高楼大厦中。

GPS定位在这种室内环境中表现不佳，但是人们又有在室内定位导航的需求，相应的比如蓝牙定位，WIFI定位等定位技术随着经济发展的浪潮出现了，这些技术的优缺点也很明显。

2.3.2.1 WIFI定位
每一个WIFI路由器都有其唯一的MAC地址，也就是硬件标识号。

常理来说，路由器安装并使用后其位置长时间是不会变动的。

当通讯终端开启WIFI时自动搜索附近可用的WIFI，而且可用获取这些WIFI的mac信息，此时通讯终端将这些WIFI路由器的MAC 地址上传到专门的位置服务器中，这些服务器记录这些WIFI路由器的具体位置。

位置服务器将收到的WIFI的路由器的MAC地址通过服务器内的数据库进行检索比对，再通过WIFI信号的强度，通过位置算法计算出位置后将位置数据发送到通讯终端。

2.3.2.2蓝牙定位
蓝牙定位即通过信号场强值（RSSI）再利用三点定位原理进行定位，蓝牙定位分为两种方式，第一种终端侧定位，第二种则是网络侧定位。

终端侧定位是由带有蓝牙模块的终端和蓝牙信标也就是iBeacon组成。

先在区域内铺设好蓝牙网关和蓝牙信标，蓝牙道标不断向外界发送数据包和广播信号，当蓝牙设备进入了信号覆盖区域中，设备自动搜索并接受蓝牙信标的信号，并开始测量蓝牙设备接收到的各个蓝牙信标的RSSI值，计算后的值经过设备的定位算法即可测出蓝牙设备的位置。

网络侧定位同样需要蓝牙设备进入到铺设蓝牙道标的信号区域，当设备进去信号区域后，蓝牙设备自动搜索并感应到蓝牙道标的广播信号，然后将蓝牙道标的信号场强值通过WIFI传输到后台服务器中，在通过服务器定位算法计算出蓝牙设备的位置。

2.3.2.3 RFID定位
RFID定位也就是射频识别定位技术，现在空间内铺设标签，当读写器进入空间时检测读写器与标签的信号大小，通过定位算法确定位置。

2.3.2.4 红外定位
红外定位就是通过红外传感器来观测带有自动发射红外线的装置的物体，通过多个红外传感器感应到的信号强度进行定位。

2.3.2.5超声波定位
超声波的定位方式一共有三种。

第一种定位方式是，先在室内铺设电子信标，然后将带有主测距器的机器人放置在室内进行移动，机器人身上的主测距器会自动发射信号，当电子信标接收到主测距器发出的信号后进行处理后传输给主测距器，主测距器再将接收到的信号进行处理，这时就可以得到机器人与各个电子信标的距离，经过位置算法得到主测距器的位置，这叫做反射式测距法。

一般这些电子标签放置在室内的各个位置，主测距器可以是各种通讯终端，也可以是机器人，也可以佩戴在人身上。

第二种就是将射频与超声波技术结合的定位技术，首先使用装置发射射频信号，利用射频信号接近于光速的速度，激活电子信标，被激活的电子信标开始接受超声波信号。

第三种就是
多超声波定位技术，即在主测距器四周安装4个超声波传感器，这些传感器可以将附近的空间分成四个，这样就方便超声波传感器探测信号，根据信号强度，定位算法形成位置的空间坐标，方便计算位置。

2.3.2.6超宽带(UWB)定位
超宽带定位技术跟上面的定位技术一样，需要事先铺设好的信标，通过高频率的电磁波信号计算位置。

2.4 宠物定位项圈方案选择
2.4.1卫星定位的优缺点
1、技术的优点
①适应性强，对环境的要求非常小。

比如沙漠、山顶、孤岛等等。

②全球全天候定位，现在的卫星定位系统至少都有21颗卫星在太空组网，可以在地球上的任何一个位置，确保实现全球全天候连续的导航定位服务，由于雷雨天气大气层延迟易产生误差不宜使用外，都可以使用卫星定位来确认位置。

③提供了全球统一的三维地心坐标。

④抗干扰能力强，保密性好，用户使用卫星定位系统仅需要接收卫星发出的信号，不需要向卫星发射信号，保证了用户的信号不容易被外界干扰。

2、GPS技术的不足
①GPS定位系统误差出现的最根本原因就是卫星与接收终端之间距离计算因为各种情况而不够精确。

首先根据公式距离=时间×速度，卫星向地面发射的是电磁波，尽管电磁波在真空中速度快，但是信号从太空进入地球时，就是从真空进入到不是真空的大气层，电磁波的速度也不是像在真空中如数学定理那样绝对的，而是会变化的。

面对这种情况，GPS定位系统只能经过多次测量后将各种大气层情况下的数据平均计算，这样得出来的电磁波大气层速度便容易出现误差。

不仅是信号传输方面会出现误差，卫星与地面信号接收机之间的分差也会出现误差，这就不是距离公式中的速度参数出现误差，而是时间参数出现误差。

②在没有连接互联网的情况下，首次定位时间相当漫长，长达几分钟到十几分钟，这就是GPS的冷启动，首先要从GPS卫星上下载星历信息，下载的速率仅仅只有50Bits/s，然后要搜索到足够的卫星信号且连续收据一段时间的数据才能够准备的向终端提供位置信息，这就是传统GPS设备的通病，在经过冷启动确认过位置后，就可以每秒连续跟踪位置数据。

③GPS定位在室内表现很差，因为GPS是接收卫星直射下来的信号，在大楼，复杂室内环境中使用GPS，因为接收机的位置误差，定位很不准。

所以一般在室内都是使用蓝牙定位，或者WIFI定位等方式辅助GPS定位。

④耗电量大，需要通讯终端为GPS模块提供高压供电。

2.4.2为什么选择GPS定位
在室外，GPS定位由于其特性和现代科技发展成果，GPS的定位精度可以达到10m，用户在室外使用GPS定位一般都有基站定位辅助GPS定位，必要时，比如在高架桥，高楼建筑群中，由于GPS信号接收不良，用户手机端定位还可以使用WIFI定位辅助其提高定位精度。

GPS本身发展历史久，相关配套设施完善，软硬件资源丰富，而且技术都比较成熟。

如今的GPS定位芯片集成度高，体积小，便于集成在可穿戴设备中，不会由于体积太大而影响力可穿戴设备的整体性。

相比于主体使用GPS，其他定位技术辅助GPS 定位而言，各个定位技术都有各自的不适应推广的缺点。

基站定位的优点在于因为国家经济大发展，通讯行业也随之进展快速，从原来的每个地区只有几个基站满足正常的电话，短信需求，在信号复杂，干扰源多，人流密度大或者基站覆盖的边缘区域，通信质量很差，到现在通讯基站覆盖全国，从繁华都市圈到深山老林都有基站覆盖。

但是基站定位的缺点也很明显，当通讯终端附近的基站也就是通讯电塔越多，定位精度也就越好，基站越少，定位精度也就越差。

比如在繁华城市区，这些地方人流量大，经济发达，相应的通讯基站多，在这种地区基站定位的精度可以达到从20米到200米左右，而在偏远山区，这里一般仅有几个基站覆盖，各个基站距离较远，所以定位误差因为基站间的距离，可以从几百米甚至数公里。

不过基站定位速度快，不受环境影响，仅仅需要一个有插入SIM的终端设备即可，而且周围需要至少3个基站，所以基站定位相对于GPS定位，GPS定位仅在室内或不良天气中表现不佳，而基站定位则因为基站之间距离都是500米起步导致的一般情况下定位精度不如GPS，所以基站定位只能用来辅助GPS定位，如果5G技术在国内大量铺开的话，因为5G技术的特性，所以5G基站相对于4G,3G,2G基站间隔距离更短，从500米到200米至300米的间隔范围，基站定位的精度相应的也会提高很多，基站定位的原理或者定位技术最简单的原理就是多点确定一个圆心，只要通讯终端附近的基站够多，各个基站的覆盖距离也就是圆心越小，基站定位的精度也就越高。

蓝牙定位就是通过连接多个蓝牙信标进行定位的技术，归根结底蓝牙定位，RFID定位，WIFI定位这几种定位只是数据传输的方式不同而已。

这几种定就是先铺设信标，其次就是终端接收信标的信标通过信号强度测位置。

蓝牙定位技术的优点在于实现蓝牙定位简单，仅需要铺设蓝牙信标并进行连接即可，蓝牙定位和基站定位一样不受空间影响，蓝牙模块现在的制作工艺也有了很大提升，可以非常容易的集成在可穿戴设备中，而且蓝牙定位信标本身因为有深度睡眠，功率低，免连接，协议简单所以非常省电。

虽然蓝牙定位的优点太多，价格也不贵，最高定位精度可以达到0.5米，但是对于一般人来说蓝牙的缺点也很明显，因为普通人对于定位的需求不高，而且蓝牙信标在国内也不够普及，如果用户需要在室内蓝牙定位，需要用户自己自费在室内铺设蓝牙道标。

其次，蓝。