向誠　王廣　何陽　袁清　蒲劍　曹聰

【摘 要】本文借助μC/OS-II系統(tǒng)，采用STM32微處理控制器，來設(shè)計(jì)多功能的走失定位儀的程序，并給出了詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。該定位儀簡單方便，且可監(jiān)督使用者的身體狀況，并且發(fā)出語言提示，同時(shí)還能檢測PM2.5濃度、GPS定位和自動發(fā)短信求救等功能。

【關(guān)鍵詞】STM32；μC/OS-II；定位；防走失；語言提示

0 引言

隨著社會的發(fā)展，我國的人口老齡化越來越嚴(yán)重，老年人在過幸福而閑適生活的同時(shí)，越來越重視從物質(zhì)生活到精神生活的轉(zhuǎn)移，以及健康地鍛煉身體上。然而，子女們因生活節(jié)奏的加快，都過著繁忙而又緊張的生活，時(shí)刻守護(hù)在老人身邊變得十分困難，加上年事已高的老年人往往記憶力下降，且身患多種疾病，近年來，老人外出走失和老年人突發(fā)意外情況昏迷未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)最終離世的情況屢見不鮮[1，3]。

基于這一現(xiàn)狀，我們設(shè)計(jì)出一種移動安康通助老設(shè)備——基于移動終端的便攜式防走失定位儀，該定位儀不僅具有移動定位、移動援助等特殊功能，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢幫助老人的子女及親友隨時(shí)確定老人所在的區(qū)域位置，也可以通過短信和撥打電話等方式通知老人的子女及親友，并能對老年的常見身體健康參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控和語言預(yù)警等，同時(shí)還能對當(dāng)天的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和超標(biāo)預(yù)警。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從功能上看，由STM32微處理器與Ucos系統(tǒng)相結(jié)合的核心部分、各傳感器檢測部分、GSM數(shù)據(jù)傳輸傳輸部分以及GPS定位部分等四個(gè)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，STM32微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對定位模塊、脈搏與心率測量等檢測模塊、GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行控制，并將得到的數(shù)據(jù)整理判斷后通過GSM模塊傳輸至移動終端、發(fā)送位置信息等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊均采用5V供電，為保證系統(tǒng)能正常工作，一個(gè)穩(wěn)定的電源電路是必不可少的。本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓集成電路7805。為了各模塊對單片機(jī)和其它集成芯片造成干擾，需要分開供電。

2.2 STM32微處理器電路設(shè)計(jì)

脈搏與心率測量等檢測、GSM數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位、語音提示及PM2.5檢測等模塊都需串口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，為滿足要求，本設(shè)計(jì)采用STM32芯片作為核心處理器。該芯片接收各個(gè)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過GSM發(fā)送信息。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

對STM32F103ZET6的設(shè)計(jì)主要包含電源、復(fù)位與晶振電路。電源部分采用5V電壓供電，并用一個(gè)LED指示燈L1來表示其工作狀態(tài)。復(fù)位電路中包含了上電復(fù)位和按鍵復(fù)位S1，晶振頻率采用11.0592MHZ。

2.3 GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

GSM數(shù)據(jù)傳輸采用SIM900A模塊，該模塊采用5V供電，其輸入電壓要添加1000μF的大電容濾波。TTL電平串口自適應(yīng)兼容3.3V和5V單片機(jī)，所以可以直接與stm32芯片相連接。該模塊的串口電路采用TVS和磁珠保護(hù)器件保護(hù)，使模塊不會受到浪涌、高電壓的傷害。5V供電電源接口添加保護(hù)電路，即使接反了也不會燒模塊[2]。

2.4 GPS定位模塊電路設(shè)計(jì)

定位設(shè)計(jì)采用ATK-NEO-6M-V2.3型GPS模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M定位模組，自帶MAXIM公司高增益（20.5dB）LNA芯片，搜索衛(wèi)星能力極強(qiáng)，并與高性能陶瓷天線結(jié)合，組成接收天線。天線E1接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達(dá)芯片RF_IN引腳，經(jīng)過芯片內(nèi)部信號放大、過濾噪聲、降頻、取樣等過程，信號再進(jìn)入基頻處理，將前段取樣的數(shù)字信號經(jīng)過運(yùn)算處理數(shù)據(jù)后從串口RTD1、TXD1引腳輸出至從STM32芯片，BT1為3.5V的備用電池，用于模塊掉電時(shí)的數(shù)據(jù)保存。

2.5 語音模塊電路設(shè)計(jì)

語音提示設(shè)計(jì)采用ISD1820語音模塊，ISD1820芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大、自動增益控制、防混淆濾波器及FLASH陣列等。該模塊支持10秒語音錄放，通過設(shè)置可進(jìn)入循環(huán)播放工作模式，工作電壓3-5V。

語音提示電路設(shè)計(jì)如圖3所示，S5為錄音按鍵，可以通過Mic輸入語音提示內(nèi)容，S3為觸發(fā)模式按鍵，為出現(xiàn)高電平時(shí)自動播放當(dāng)前整段的語音，S4為點(diǎn)動模式按鍵，出現(xiàn)高電平時(shí)播放語音，低電平時(shí)停止播放，本設(shè)計(jì)采用整段語音提示播放。為增加揚(yáng)聲器音量，在主單片機(jī)觸發(fā)語音模塊后，ISD1820輸出信號還經(jīng)過由LM386、R57、R60、C47、C50構(gòu)成的差分放大電路進(jìn)行放大處理。

2.6 PM2.5檢測模塊電路設(shè)計(jì)

顆粒物檢測采用日本夏普公司粉塵傳感器GP2Y1051AU0F，該傳感器內(nèi)置氣流發(fā)生器可以自行吸入外部空氣，可用于室內(nèi)環(huán)境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的檢測，可以用來測量0.8微米以上的微小粒子，工作電壓0.3-7V。

電路設(shè)計(jì)如圖4所示。傳感器在插上電源1s鐘之后穩(wěn)定正常工作，使用串口輸出至主單片機(jī)P1^0口，通過串口直接讀取穩(wěn)定電壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括Ucos系統(tǒng)控制端的操作軟件設(shè)計(jì)、基于stm32芯片對各個(gè)模塊的控制軟件設(shè)計(jì)、對顯示界面的軟件設(shè)計(jì)等。圖5為stm32主機(jī)與各個(gè)模塊的控制關(guān)系。它是在未考慮各個(gè)模塊間內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，簡要的展現(xiàn)各個(gè)模塊受主機(jī)控制的過程?；谖恼缕疚膬H對脈搏與心率測量等等幾個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)作說明。

3.1 脈搏與心率測量等檢測模塊軟件設(shè)計(jì)

初始化串口，采集該模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)主要是傳感器檢測脈搏的模擬電壓數(shù)據(jù)，用stm32內(nèi)部自帶AD進(jìn)行檢測然后進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換即可得到使用者的心率以及脈搏。設(shè)計(jì)流程如圖6所示：

3.2 GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

對GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)如圖7所示。在GUI初始化完成后再初始化串口，通過指令A(yù)T+CMGS=要通信的目的手機(jī)號碼，即為AT+CMGS=的16進(jìn)制ASCII碼加上通信對方手機(jī)號碼的16進(jìn)制ASCII碼，且主機(jī)向GSM模塊發(fā)送1條命令后，必須以1個(gè)回車符和換行符作為該條指令的結(jié)束。當(dāng)界面GUI的按鍵按下后，調(diào)用GSN相關(guān)函數(shù)，向上述設(shè)置好的號碼發(fā)送信息，發(fā)送成功后，返回一個(gè)發(fā)送成功的指令。

3.3 GPS定位模塊軟件設(shè)計(jì)

程序進(jìn)入定位模塊時(shí)，先將串口初始化，設(shè)置波特率。GPS數(shù)據(jù)的處理包含兩個(gè)部分，一部分是對GPRMC數(shù)據(jù)的解析處理；另一部分是對GPGGA數(shù)據(jù)的解析處理。在對GPRMC數(shù)據(jù)的解析時(shí)主要是定義了一個(gè)字符型變量ch，并判斷接收到的數(shù)據(jù)的第5個(gè)字符，如果第5個(gè)字符是C，在判斷定位狀態(tài)status是否等于A，如果等于則就將接收到的經(jīng)度、緯度、日期和時(shí)間信息進(jìn)行字符轉(zhuǎn)換，及單片機(jī)將GPS接收機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過軟件程序控制轉(zhuǎn)換成字符型數(shù)據(jù)。在對GPGGA數(shù)據(jù)的解析是也是定義了一個(gè)字符型變量ch，判斷接收到的數(shù)據(jù)的第4個(gè)字符，如果第4個(gè)字符是G，且定位狀態(tài)標(biāo)志位status不等于“，”，那么單片機(jī)也將GPS發(fā)送來的海拔高度和水平面高度數(shù)據(jù)通過軟件程序轉(zhuǎn)換成字符型數(shù)據(jù)。并且將數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)域，通過調(diào)用GUI相關(guān)函數(shù)顯示。GPS數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

4 結(jié)論

為了測試防走失定位儀的準(zhǔn)確性以及實(shí)際使用效果，測試過程中均是同測試者、同時(shí)間、血液均采于同一食指位置?？梢钥吹剑琇CD上顯示系統(tǒng)檢測到的血氧濃度為96%（成年血氧濃度正常值是95%-100%之間）；脈搏數(shù)為83次/分（正常人脈搏數(shù)60-100次/分）；PM2.5及GPS定位參數(shù)都與單個(gè)檢測器上的數(shù)值一致且精度較高，“急救”報(bào)警正常。測試結(jié)果如圖9所示。通過對系統(tǒng)的整體性能測試，本系統(tǒng)所有模塊均能長時(shí)間的正常穩(wěn)定工作，各項(xiàng)性能指標(biāo)均完全達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求并能方便地拓展其功能和應(yīng)用，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐超，鄔志鋒.基于STM32的便攜式心電信號測量儀的設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2012（1）：57-59.

[2]陳新.GSM數(shù)字蜂窩移動通信.1995[Z].

[3]張秀娟，程飛龍.基于STM32的便攜式生命體征監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013（11）：20-22.

[責(zé)任編輯：王楠]