毛小波 ，庹先國(guó) ，2，李懷良 ，2，劉 勇

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621010）

在當(dāng)今這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的社會(huì)，迫于生活壓力，很多家庭都呈現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：子女外出打工，家中只剩下老人和小孩，導(dǎo)致老人與子女的溝通較少。雖然各種智能手機(jī)已廣泛使用，但由于絕大多數(shù)老人文化程度不高，又因年老手腳不靈活，所以對(duì)手機(jī)的使用不是很方便，甚至有的老人不會(huì)使用。當(dāng)老人獨(dú)自在家或在戶(hù)外時(shí)，如果突發(fā)險(xiǎn)情，就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)向外求救，從而造成生命危險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，本文從實(shí)際出發(fā)，提出一種利用GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)老人緊急求救的方法。

1 儀器的總體設(shè)計(jì)及工作原理

儀器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)儀器由以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F407單片機(jī)模塊、GPS模塊、GSM模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、指示燈模塊、LCD顯示模塊以及按鍵模塊組成[1]。當(dāng)老人獨(dú)自在家或行走在外時(shí)，如果老人突發(fā)險(xiǎn)情，老人可以憑借隨身攜帶的求救儀及時(shí)向其子女及其周?chē)娜巳呵缶?。其?shí)現(xiàn)原理為：老人按下儀器上的求救按鈕，此信號(hào)首先通過(guò)STM32F407模塊進(jìn)行處理，經(jīng)識(shí)別后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的求救信號(hào)，然后通過(guò)RS232串口發(fā)送到GSM模塊，最后以短信的方式通過(guò)GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到子女的手機(jī)上。與此同時(shí)，STM32F407單片機(jī)會(huì)從GPS接收模塊中讀取老人出事的地點(diǎn)及時(shí)間，然后把定位信息發(fā)送到子女的手機(jī)上。這樣子女便可以在第一時(shí)間收到老人的求救信息，然后及時(shí)向相關(guān)部門(mén)尋求幫助，從而在第一時(shí)間救助老人。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Instrument structure diagram

2 儀器功能實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)

儀器功能得以實(shí)現(xiàn)，硬件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。本儀器主要集成了以下硬件模塊。

2.1 控制器

控制器模塊由微處理器及其時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、濾波電路、在線(xiàn)調(diào)試電路等組成。為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求以及考慮到儀器的優(yōu)化與升級(jí)，本儀器采用ST公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的32位CMOS單片機(jī)STM32F407VGT6作為主處理器。具有高達(dá)168 MHz的工作頻率，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 （1 MB Flash，192+4 KB RAM）和豐富的通用I/O接口。單片機(jī)主要通過(guò)USART（通用同步異步收發(fā)機(jī)）端口與GSM模塊、GPS模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收。

2.2 GPS接收模塊

應(yīng)儀器功能設(shè)計(jì)的需要，本儀器采用型號(hào)為HOLUX M-9323的GPS接收模塊。由于其輸出方式為RS232串口輸出，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)，只需將STM32單片機(jī)的一個(gè)串口與其相應(yīng)引腳相連接，GPS接收模塊將接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收緩沖器里，等待微處理器讀取數(shù)據(jù)。

2.3 GSM模塊

如圖2所示，本儀器采用的GSM模塊為T(mén)C35，STM32與GSM模塊之間采用串口通信方式，因?yàn)镾TM32的TXD和RXD是COMS電平，而GSM模塊的UART是TTL電平，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)，利用7407（TTL to CMOS）電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與GSM模塊間的電平轉(zhuǎn)換。由于TC35模塊[2]的RXD定義是相對(duì)單片機(jī)的，所以TC35的TXD相對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)是接收端，故其連接方式為STM32的TXD與GSM的TXD0相連，STM32的RXD與GSM的RXD0相連，然后兩者共地。為獲取移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，TC35中需集成SIM卡，SIM卡是整個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)中唯一確認(rèn)用戶(hù)身份的設(shè)備。SIM卡有6個(gè)觸點(diǎn)，分別是VCC、RST、CLK、GND、VPP、IO， 它們與 TC35 的 CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCVCC、CCIO 引腳對(duì)應(yīng)連接，其中VPP引腳可懸空或連接到CCVCC，本電路設(shè)計(jì)中VPP是連接到CCVCC的。

圖2 GSM模塊電路Fig.2 GSM module circuit

2.4 報(bào)警器模塊

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，為儀器設(shè)計(jì)了報(bào)警電路，利用NPN型的三極管作為放大器，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)音。一旦老人按下求救鍵，報(bào)警器立即報(bào)警，旨在幫助老人向外界發(fā)出求救信號(hào)。同時(shí)，也證明老人的求救信號(hào)發(fā)送成功。

2.5 LCD顯示模塊

本設(shè)計(jì)中使用的LCD顯示模塊為12864液晶顯示屏，除了用于顯示日期和時(shí)間，還可以顯示子女發(fā)來(lái)的短信內(nèi)容。LCD與按鍵模塊配合使用，可以進(jìn)行一些參數(shù)配置。

3 儀器電源電路設(shè)計(jì)

本儀器主要用到兩種電壓值：5 V和3.3 V。5 V為GPS模塊、GSM模塊、報(bào)警器模塊供電；3.3 V為STM32F407微處理器供電。考慮到使儀器能夠隨身攜帶及成本問(wèn)題，目前主要采用GP公司的型號(hào)為4LR44的6 V電池作為總電源。為了獲得穩(wěn)定的3.3 V和5 V電壓，電路中采用了低壓差、線(xiàn)性穩(wěn)壓器LM1085和LT1129-5。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

其中 L1、L2、L3、L4為磁珠，主要作用是消除高頻干擾，C1、C2、C3、C4作為旁路電容和去耦電容， 主要濾除輸入、 輸出中的高頻噪聲，C01、C02、C03、C04為電解電容，起到濾波的作用。在大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容，其目的是降低高頻內(nèi)阻。為了便于老人了解儀器的電量情況，在設(shè)計(jì)中利用LM393比較器做了一個(gè)比較電路，設(shè)置了一個(gè)可調(diào)的參考電壓，如果電量充足，大于參考電壓，則電量指示燈為綠色；如果電量不足，小于參考電壓，則電量指示燈為紅色。

4 儀器軟件設(shè)計(jì)

4.1 儀器功能實(shí)現(xiàn)流程

本儀器主要利用STM32微處理器讀取GPS接收器的值，然后通過(guò)發(fā)送AT指令控制GSM模塊，最后將求救信號(hào)以短信的方式發(fā)送到子女的手機(jī)上，子女收到老人的求救短信后，根據(jù)短信中所提供的地理位置，便可及時(shí)向當(dāng)?shù)?20求救，以便在第一時(shí)間救助老人，其流程如圖4所示。

如果老人是因?yàn)椴恍⌒陌聪铝饲缶孺I，造成誤報(bào)，可以使用儀器上的安全鍵向其子女說(shuō)明情況，以避免造成子女不必要的擔(dān)心。程序的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

4.2 GSM-PDU短消息設(shè)置

STM32單片機(jī)與TC35模塊之間是通過(guò)AT指令進(jìn)行交互通信的，通過(guò)使用正確的AT指令對(duì)TC35模塊進(jìn)行初始化和短消息的收發(fā)設(shè)置。短消息的設(shè)置共有3種模式：TEXT模式、BLOCK模式和PDU模式[3]。目前BLOCK模式已不使用，TEXT模式只能發(fā)送英文短信，而PDU模式中英文短信都支持。在PDU模式中，短消息一共有3種編碼方式：即7-bit編碼，8-bit編碼，UCS2 編碼 （16-bit編碼）[3]。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，最多可發(fā)送160個(gè)字符：8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，最多可發(fā)送140個(gè)字符；UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符，最多可發(fā)送70字符[4]。本設(shè)計(jì)的短消息采用PDU模式下的Unicode編碼。

圖4 儀器功能流程圖Fig.4 Flow chart of Instrument function

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

例如，發(fā)送中文短信“老人有危險(xiǎn)”到目的手機(jī)15828047459，則首先發(fā)送數(shù)據(jù)串AT+CMGF=0 （ 是回車(chē)符），延時(shí)一段時(shí)間，等待返回AT+CMGF=0 OK；然后發(fā)送數(shù)據(jù)串AT+CMGS=25 ，延時(shí)一段時(shí)間，等待返回AT+CMGS=25及 ASCII字符“＞”；最后發(fā)送 PDU 數(shù)據(jù)：00110 00D91685128087454F90008AA0A80014EBA67095 3719669x01a，接著會(huì)返回0011000D916851280874 54F90008AA0A80014EBA670953719669[5]。延時(shí)一段時(shí)間，如果返回+CMGS：XXX OK，則表明短信發(fā)送成功。對(duì)PDU數(shù)據(jù)串中各個(gè)數(shù)據(jù)域進(jìn)行分析如表1所示。

表1 短消息數(shù)據(jù)的PDU格式Tab.1 PDU format of short message data

5 結(jié)語(yǔ)

本儀器設(shè)計(jì)的初衷是針對(duì)社會(huì)中的老人群體，尤其是那些子女長(zhǎng)期不在身邊的老人或者是孤寡老人群體。他們需要這樣一種便攜式求救儀在身邊，以便及時(shí)向外界求救。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)表明：本儀器可以解決年邁的老人在遇突發(fā)事件時(shí)，難以求救的問(wèn)題，而且其性能很好。本儀器與市面上的一些老人手機(jī)相比，其優(yōu)勢(shì)在于：除了成本很低，人人都能承受之外，最重要的一點(diǎn)是其操作對(duì)于老人來(lái)講非常簡(jiǎn)單，此外本儀器也可以用于聾啞人群體。所以，具有社會(huì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳致遠(yuǎn)，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）：138-140.

[2] 王曉輝.環(huán)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的DCS遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)[D].太原科技大學(xué)，2008.

[3] 陳康偉，王建，鐘波.基于Cortex-M3的GSM短信報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大眾科技，2012，14（5）：1-3，24.

[4] 劉世俊.基于GSM短消息的遠(yuǎn)程呼救系統(tǒng)[J].電腦與電信，2008（8）：41-43.

[5] 劉濤，張春業(yè)，韓旭東，等.基于手機(jī)模塊TC35的單片機(jī)短消息收發(fā)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2003，30（3）：36-38.