CN114501323A

CN114501323A - 一种森林智慧导航系统及方法

Info

Publication number: CN114501323A
Application number: CN202111668550.7A
Authority: CN
Inventors: 黄健繁
Original assignee: Zhuhai Atomic Technology Co ltd
Current assignee: Zhuhai Atomic Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114501323B

Abstract

本发明公开了一种森林智慧导航系统及方法，其中的一种森林智慧导航系统，包括户外电箱，户外电箱顶部设有太阳能板，户外电箱前部设有户外箱前盖，户外电箱内部设有充电宝和WiFi装置；充电宝输入端连接太阳能板，其输出端连接WiFi装置；充电宝连接USB充电线。本发明A解决森林里面无手机信号的情况下的导航问题；结合手机的指南针、三轴加速度传感器的数据，解决GPS无法使用的场景；把导航路线分解成一个接着一个的WiFi基站，提高导航的成功率；具有USB充电功能，可在需要的时候取下充电宝带走，解决手机续航问题；硬件设备简单，稳定性高、维护少，适合长时间使用的场景。

Description

一种森林智慧导航系统及方法

技术领域

本发明涉及户外定位技术，具体涉及一种森林智慧导航系统及方法。

背景技术

目前，在森林里面探险，举目之间全都是树木、杂草，加上树木把阳光挡住，光线昏暗，很容易就会使人迷失方向，进而迷路，甚至越走越远，出现生命危险。

进入森林探险之前，大家普遍都会携带指南针、食物，现在手机都已经标配有指南针，手机指南针又称电子罗盘，容易受到外部磁场干扰。当人在森林迷失方向之后，通过指南针或者电子罗盘的指引，可以走出森林。但如果事先没有看过地图，也不知道去往安全区域的路线，哪怕有指南针，也无法找到安全区域。

目前GPS的精度已经达到10米之内，但是这依赖于手机能够搜索到足够多的星，在森林的实际环境中，由于树木的阻挡，GPS搜星的数量不会特别多，影响定位的精度。即使手机通过GPS搜星可以得到当前位置的坐标，但是地图的下载需要网络，而森林里面往往是没有网络，这使得用户只有坐标，没有地图，失去导航的作用。另外，即使下载到地图，从卫星图上看到的地图只是一大片绿色的植被，没有路线图可以参考，这时GPS方案对导航的作用会大打折扣。

在森林迷路后，如果手机也没电了，这时候不能通过手机联系外面的人，情况会变得比较危险，所以森林导航还需要考虑手机续航问题。

为了安全，人们会在分岔路口树立路标，提示正确的方向，但动物会碰撞路标，路标年久失修之后，路标会长满杂草，人们爬山的时候也很容易就会错过。

现有技术的缺点：

A、在森林里面无手机信号，无法打电话。

B、在报警过程中无法准确描述当前的位置，造成搜救的缓慢。

C、手机电量有限，手机续航能力差。

D、指南针只能指示东西南北方向，但是无法获知哪一个方向才是最正确的方向。

E、路牌容易被杂草覆盖，经常起不到应有的提示作用。

F、通过GPS可以获取到当前位置的经纬度，但手机无法上网，也就无法获取到地图，即使有经纬度也起不到导航作用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种森林智慧导航系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种森林智慧导航系统，包括户外电箱，户外电箱顶部设有太阳能板，户外电箱前部设有户外箱前盖，户外电箱内部设有充电宝和WiFi装置；充电宝输入端连接太阳能板，其输出端连接WiFi装置；充电宝连接USB充电线；

WiFi装置包括电源电路、STM32主控电路、WIFI模组电路、SD卡卡座、电池充电电路、按键电路、LED状态灯、JTAG调试电路、调试串口及外界电源端子；所述STM32主控电路分别电性连接电源电路、WIFI模组电路、SD卡卡座、电池充电电路、按键电路、LED状态灯、JTAG调试电路、调试串口及外界电源端子。

进一步地，所述电源电路主要包括低压差DC-DC电路芯片U5及外围电路。

更进一步地，所述WIFI模组电路主要包括WIFI模组芯片ESP8266及外围电路。

更进一步地，所述电池充电电路包括电池充电器芯片aat3691及外围电路。

根据本发明的又一个方面，提供了一种森林智慧导航系统方法，包括以下步骤：

将WiFi装置理作为一个路由器，WiFi装置做AP，用户手机可以随时接入该WiFi网络；

用户连接该WiFi网络之后，通过访问路由器地址的方式获取到APP的下载，下载完成之后用户自行安装该APP；

下载APP的整个过程不需要连接互联网，都是在局域网里面实现；

安装该APP文件之后，该APP会优先选择GPS模式定位，进而引导用户重返安全区域；

该APP的数据库里面会把森林的小路标注出来，而不是像百度地图、高德地图，只显示一大片绿色；

在GPS搜星成功的情况下，该APP结合GPS的经纬度信息有效地引导客户走出森林；

如果GPS搜星失败，运行该APP，通过WiFi信号强度计算出用户的大致位置，然后通过实景图让用户自行校准位置，也可以有效地引导用户走出森林；

在APP获取到用户的准确位置后，把手机平放，校准手机的指南针功能，之后用户就可以按照APP的指示方向来前进；

在用户前进过程中，APP结合指南针、三轴加速度传感器的数据，推算出用户的当前位置，并实时更新用户在地图上的位置，使得导航更加直观、有效；

手机指南针、三轴加速度传感器存在一定误差，用户经过一段距离后，APP会提示用户重新校准位置。

进一步地，森林智慧导航系统方法还包括导航流程，具体包括：

从WiFi基站下载APP并安装；

运行APP，在APP上展示地图；

APP获取权限:指南针、三轴加速度传感器；

APP搜索周围的WiFi的SSID，判断出大致位置；

通过对比实景图，用户修正实际位置；

平放手机，让手机的指南针正常工作；

获取三轴加速度传感器的数据；

计算步数；

通过步数换算成距离；

结合方向、距离，在地图实时画出轨迹图；

显示用户当前位置的实景图，支持3D实景导航；

APP持续搜索周围的WiFiSSD，判断是否来到下一个标注点；

不断重复之前的步骤，直到人员来到安全区。

更进一步地，森林智慧导航系统方法还包括地图更新流程，具体包括：

WiFi基站进入AP模式；

手机连接对应SSID；

手机与WiFi基站建立TCP连接，WiFi基站作TCP服务器；

手机向WiFi基站发送升级命令；

WiFi基站接收APK文件之后，对整个文件进行校验；

校验通过后，WiFi基站回复已完成命令；

手机断开TCP连接；

手机显示完成信息。

本发明的优点：

本发明A解决森林里面无手机信号的情况下的导航问题；

结合手机的指南针、三轴加速度传感器的数据，解决GPS无法使用的场景；

把导航路线分解成一个接着一个的WiFi基站，提高导航的成功率；

具有USB充电功能，可在需要的时候取下充电宝带走，解决手机续航问题；

硬件设备简单，稳定性高、维护少，适合长时间使用的场景。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的森林智慧导航系统结构示意图。

图2是本发明的森林智慧导航系统原理框图。

图3是本发明的电源电路原理图。

图4是本发明的STM32主控电路原理图。

图5是本发明的WIFI模组电路原理图。

图6是本发明的SD卡卡座原理图。

图7是本发明的电池充电电路原理图。

图8是本发明的按键电路原理图。

图9是本发明的LED状态灯电路原理图。

图10是本发明的JTAG调试电路原理图。

图11是本发明的调试串口电路原理图。

图12是本发明的外界电源端子图。

图13是本发明的整体工作流程图。

图14是本发明的WiFi基站流程图。

图15是本发明的WiFi装置的硬件框图。

图16是本发明的导航流程图。

图17是本发明的地图更新流程图。

附图标记：

1为户外箱前盖、2为太阳能板及3为户外电箱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

术语解释：

A、Wi-Fi：无线上网；

B、USB：通用串行总线（Universal Serial Bus）；

C、MCU：微控制器(Micro Control Unit)；

D、SSID：服务集标识符（Service Set Identifier）；

E、AP：无线接入点（Access Point）。

参考图1至图12，一种森林智慧导航系统，包括户外电箱3，户外电箱3顶部设有太阳能板2，户外电箱3前部设有户外箱前盖1，户外电箱3内部设有充电宝和WiFi装置；充电宝输入端连接太阳能板2，其输出端连接WiFi装置；充电宝连接USB充电线4；

所述电源电路主要包括低压差DC-DC电路芯片U5及外围电路。

所述WIFI模组电路主要包括WIFI模组芯片ESP8266及外围电路。

所述电池充电电路包括电池充电器芯片aat3691（U1B）及外围电路。

STM32主控电路：

由一个32位单片机最小系统U1以及由3个LED组成的系统指示灯，其中单片机装载有特定的程序驱动，与SD卡、WIFI共同组成了一个微型局域网文件服务器。此外单片机复位部分有外部电源电压监视器U2确保系统不会由于外部影响导致复位异常。

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。开发门槛低、网上资源多、性能稳定等特点，实属嵌入式系统的优选方案。

本系统的功能简单，而STM32的资源丰富、开发技术要求低，完全可以满足本方案要求。

WIFI模组电路：

外挂WIFI模组用于产生WIFI-AP热点信号供使用者，通过串口与单片机连接通讯，单片机通过一个MOS开关控制WIFI部分供电，使得一但WIFI工作失效时，单片机系统可以有效对WIFI部分进行重新上电复位，确保系统长期工作稳定性。

ESP8266是一款高性能无线SOC，集成了业界领先的TensilicL106超低功耗32位微MCU，具有16位缩减模式，主频支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板载天线。

ESP8266支持板载PCB天线和IPEX接口天线，无需添加任何匹配电路，大大节省了天线调试的时间。可以根据实际场景的需要选择PCB天线、IPEX接口天线。

本系统选择的是IPEX接口天线，可以大大增强信号功率，进而增大WiFi覆盖范围。

SD卡卡座：

SD卡支持SDIO、SPI两种接口，虽然SDIO的读写数据会更加快，但本系统考虑的重点不在读写速度，而是考虑通用性，故本系统采用更加通用的SPI接口来控制SD卡。

本系统采用SD卡方案的最主要原因：维护简单、成本低。维护的时候，如果要更新APK文件，只需要更换SD卡就可以实现，不需要系统支持在线升级。另外，从成本考虑，SD卡具有容量大、价格低等优点。

电池充电电路：

电池充电器芯片aat3691是专为调节电池充电电压和电流而设计，适用于各种便携系统广泛采用的4.2v锂离子电池。内置的电池充电器芯片结合了一个功率器件、逆电流阻断和电流感应。

考虑到天气原因，可能会出现连续多天阴雨天气，并且在晚上没有阳光照射，故本系统采用电池供电、太阳能两种供电方式。太阳能对电池充电，电池对系统供电。

按键电路：

使用电容、电阻电路进行滤波，配合软件的按键消抖程序处理。

本系统采用按键来控制：进入升级模式、进入配置模式。

两个按键的作用分别是：

BTN_CFG：长按该按键，系统进入配置模式，用于设置系统参数；

BTN_RST：长按该按键，清除所有配置，进入默认参数状态。

LED状态灯：

LED灯的作用分别是：

SYSLED：系统在运行过程中，该LED状态灯不断闪烁，避免系统出现阻塞而导致的功能失常；

ACTLED：常亮表示WiFi功能正常，熄灭表示WiFi功能不正常；

LINKLED：用户连接WiFi之后，该LED常亮；通常情况下该LED熄灭。

JTAG调试电路：

JTAG的全称是Joint Test Action Group，即联合测试行动小组。

ST芯片的仿真的硬件接口 SWDIO：

SWDIO：JTAG:Test Mode State pin ; SWD: Data I/O pin 数据线。

SWCLK：JTAG: Test Clock pin ; SWD: Clock pin 时钟线。

SWD的主要作用：

仿真调试，实现单步调试STM32芯片；

烧写固件，把hex代码烧写到STM32芯片。

调试串口：

SRV05-4是ESD静电保护器件，是做静电保护用，主要用在多线路的静电防护，高速信号口作保护。防止人为操作插拔调试串口插座时，人体携带的静电脉冲导致STM32芯片损坏。

外界电源端子：

本系统采用5V电池供电，该电路为电池的连接座子入口。

参考图13至图17，一种森林智慧导航系统方法，包括以下步骤：

森林智慧导航系统方法还包括导航流程，具体包括：

从WiFi基站下载APP并安装；

运行APP，在APP上展示地图；

APP获取权限:指南针、三轴加速度传感器；

APP搜索周围的WiFi的SSID，判断出大致位置；

通过对比实景图，用户修正实际位置；

平放手机，让手机的指南针正常工作；

获取三轴加速度传感器的数据；

计算步数；

通过步数换算成距离；

结合方向、距离，在地图实时画出轨迹图；

显示用户当前位置的实景图，支持3D实景导航；

APP持续搜索周围的WiFiSSD，判断是否来到下一个标注点；

不断重复之前的步骤，直到人员来到安全区。

森林智慧导航系统方法还包括地图更新流程，具体包括：

WiFi基站进入AP模式；

手机连接对应SSID；

手机与WiFi基站建立TCP连接，WiFi基站作TCP服务器；

手机向WiFi基站发送升级命令；

WiFi基站接收APK文件之后，对整个文件进行校验；

校验通过后，WiFi基站回复已完成命令；

手机断开TCP连接；

手机显示完成信息。

本发明的WiFi基站一共分成3部分：太阳能板、WiFi装置、充电宝，其中太阳能板、充电板属于外置成品设备，可自行采购。本系统要求有USB快充功能，客户可自行采用充电宝。

充电宝、WiFi装置放在一个户外电箱里面，太阳能板安装在户外电箱顶部。WiFi装置的耗电量并不大，故不要求太阳能板一定要安装在暴晒的位置，可安装树木的树干上。

森林走失的情况属于低概率事件，充电宝里面的电量不会经常被使用，只在发生危险的情况下使用，充电宝的电量越大越好，推荐充电宝的容量不少于20000mAh。平时太阳能板盈余的电量会保存在充电宝里面。在发生危险的情况下，用户可以选择取下充电宝带走，等来到安全区域之后，再归还该充电宝。在充电宝上有编号，可以知道该充电宝所属的WiFi基站位置。

本系统会把地图信息、实景照片传输给用户手机，需要的文件空间比较大，故采用SD卡保存这些文件。采用SD卡的另外一个原因是： SD卡方案可以方便地图升级，维护人员只需要更换一张SD卡就可以完成地图的升级。

可以把WiFi装置简单地理解成一个路由器，WiFi装置做AP，用户手机可以随时接入该WiFi网络。用户连接该WiFi网络之后，通过访问路由器地址的方式获取到APP的下载，下载完成之后用户自行安装该APP。下载APP的整个过程不需要连接互联网，都是在局域网里面实现，这样就解决了用户手机不能上网的情况下而无法下载地图问题。

安装该APP文件之后，该APP会优先选择GPS模式定位，进而引导用户重返安全区域。该APP的数据库里面会把森林的小路标注出来，而不是像百度地图、高德地图，只显示一大片绿色。在GPS搜星成功的情况下，该APP结合GPS的经纬度信息可以有效地引导客户走出森林。

如果GPS搜星失败，运行该APP，通过WiFi信号强度计算出用户的大致位置，然后通过实景图让用户自行校准位置，也可以有效地引导用户走出森林。

在APP获取到用户的准确位置后，把手机平放，校准手机的指南针功能，之后用户就可以按照APP的指示方向来前进。在用户前进过程中，APP结合指南针、三轴加速度传感器的数据，推算出用户的当前位置，并实时更新用户在地图上的位置，使得导航更加直观、有效。

手机指南针、三轴加速度传感器存在一定误差，用户经过一段距离后，APP会提示用户重新校准位置。由于每经过一段距离就会重新校准，所以整体的导航精度并不会太差。并且通过校准当前位置的操作，提升用户的自信心，更有利于用户脱离险境。

WiFi基站的作用主要有：

提供APP程序的下载；

充电宝的USB快充。

实际的导航操作是由APP完成，和WiFi基站无关，当APP下载完成之后，就可以断开WiFi连接。

WiFi装置需要完成的功能：从SD卡里面拿到APP软件，然后通过WiFi传给用户。

WiFi芯片选用最常用的ESP8266芯片，该芯片的外围电路简单、性能稳定、资料丰富、技术门槛低，很适合嵌入式方案使用。

MCU主控采用STM32芯片，外围电路简单、功耗低，有SDIO模块，可以很方便地控制SD卡的读写，非常适合本系统的应用场景。

增加“状态指示灯”模块，可以直观地获知当前设备的状态。

用户下载该APP之后，导航过程中结合指南针、三轴加速度传感器的数据，指南针获取当前前进的方向；三轴加速度传感器结合步行算法模型，推算出前进的距离，这样就可以完成一段又一段的前进路线。之所有采用分段式前进，是为了确认用户没有出现太大的偏差。

导航的目的地可能并不是直接到达安全区，而是寻找下一个WiFi基站。把到达安全区的路线分解成一个一个的WiFi基站，这样可提高导航的准确度，并且可提高用户的自信心。APP可周期性地搜索周围的WiFi信号，匹配该WiFi信号的信息，并且连接指定的WiFi基站，同步定位信息，确保用户都在规划路线上。

树木杂草不断生长，需要定期更新地图文件。

更新地图文件的方式有两种：

更换SD卡；

通过TCP连接，把文件传到WiFi基站。

附图17对应的是TCP连接。

说明：

为了防晒、防水、本方案把WiFi装置、充电宝放在户外专用电箱内。为了避免老鼠、蚂蚁啃咬电线，USB充电线放在电箱内部而不是暴露在外面。在需要用充电宝充电的时候，先打开户外箱盖子，然后才能看到USB充电箱。经过这样的设计之后，电箱外部没有任何电线，提高产品的可靠性。

太阳能板安装在户外防晒箱顶部，既可以让太阳能板充分地吸取太阳能，又可以减少电缆线的外露，同时使得设备的安装更加便捷。

安装之前把设备全部固定好在电箱里面，到了安装现场，只需要找到一个合适的位置，使用抱箍把户外专用电箱固定在树木上，安装十分便捷。

本发明的森林导航系统，在无手机信号的情况下也可以正常使用，并提供USB充电功能，解决用户手机续航问题。

在与外界取得联系后，通过告知WiFi的SSID名称，外界人员通过查询数据库获取对照表，从而获取到该SSID的精准位置，起到快速定位的目的。

设备的电源是通过太阳能板获得，并把电源保存在电池里面。用户可以通过USB快充来给手机充电，甚至允许用户在危险情况下把电池带走，提高手机的续航能力，保障人们生命安全。

WiFi设备使用户外专用电箱安装，起到防水、防晒作用，电源来自于太阳能板，能量自给自足，减少硬件维护成本。用户通过WiFi信号判断附近是否有WiFi基站，所以即使WiFi基站被杂草挡起来，也不会影响手机与WiFi基站的通信。

本发明利用WiFi的AP模式建立局域网环境下载APP，解决手机无法上网问题；

使用太阳能供电，设备电源能够自给自足，多余的电量保存到充电宝；

利用手机的指南针、三轴加速度传感器的数据，通过算法推算出前进的方向及距离，并结合地形修正行走轨迹，解决某些路况复杂无法定位的问题。

把导航的路线分解成一个接着一个的WiFi基站的线段，提高导航的成功率。

提供充电宝，解决户外手机续航问题。

户外导航最好的方式用GPS定位，结合地图显示进行导航，该方式已经很普遍地应用在人们的日常生活中，特别是交通运输方面。在森林的特殊环境中，丛林、山坡对信号的削弱，使得搜星的个数减少，进而导致定位出现很大的偏移。森林人迹稀少，基站普遍较少，甚至手机上网、通话功能都不能使用，无法正常加载地图，进而使得地图导航功能失效。所以还需要另外一种更加稳定精准的导航系统。

GPS定位只能告诉用户当前位置，但实际从地图上看到的森林只，是一大片绿色，不会有森林地面的情况分析，这样的导航很不直观，无法有效地指导人员走到安全区。

本系统的应用不依赖互联网数据，在本地组建成一个WiFi局域网来获取到APP。APP利用手机指南针、手机的三轴加速度传感器的数据，结合自主研发的算法来推算当前用户位置。再结合实景图、3D导航图来对用户真实位置进行校准。把导航线路分解成一个又一个的WiFi基站组成的线段，每到一个WiFi基站系统就重新做一次位置校准，为导航提供更加实时准确的数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种森林智慧导航系统，其特征在于，包括户外电箱（3），户外电箱（3）顶部设有太阳能板（2），户外电箱（3）前部设有户外箱前盖（1），户外电箱（3）内部设有充电宝和WiFi装置；充电宝输入端连接太阳能板（2），其输出端连接WiFi装置；充电宝连接USB充电线（4）；

2.根据权利要求1所述的森林智慧导航系统，其特征在于，所述电源电路主要包括低压差DC-DC电路芯片U5及外围电路。

3.根据权利要求1所述的森林智慧导航系统，其特征在于，所述WIFI模组电路主要包括WIFI模组芯片ESP8266及外围电路。

4.根据权利要求1所述的森林智慧导航系统，其特征在于，所述电池充电电路包括电池充电器芯片aat3691及外围电路。

5.一种森林智慧导航系统方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的森林智慧导航系统方法，其特征在于，还包括导航流程，具体包括：

从WiFi基站下载APP并安装；

运行APP，在APP上展示地图；

APP获取权限:指南针、三轴加速度传感器；

APP搜索周围的WiFi的SSID，判断出大致位置；

通过对比实景图，用户修正实际位置；

平放手机，让手机的指南针正常工作；

获取三轴加速度传感器的数据；

计算步数；

通过步数换算成距离；

结合方向、距离，在地图实时画出轨迹图；

显示用户当前位置的实景图，支持3D实景导航；

APP持续搜索周围的WiFiSSD，判断是否来到下一个标注点；

不断重复之前的步骤，直到人员来到安全区。

7.根据权利要求5所述的森林智慧导航系统方法，其特征在于，还包括地图更新流程，具体包括：

WiFi基站进入AP模式；

手机连接对应SSID；

手机与WiFi基站建立TCP连接，WiFi基站作TCP服务器；

手机向WiFi基站发送升级命令；

WiFi基站接收APK文件之后，对整个文件进行校验；

校验通过后，WiFi基站回复已完成命令；

手机断开TCP连接；

手机显示完成信息。