張潮城　奚維立　張敬博　陳景國(guó)

摘 要：介紹了一套能實(shí)時(shí)查看兒童位置、可語(yǔ)音通話(huà)、能在意外發(fā)生時(shí)及時(shí)報(bào)警并且能夠?yàn)閮和瘜W(xué)習(xí)提供幫助的電子監(jiān)護(hù)設(shè)備。該系統(tǒng)以STM32為主控芯片，其主要功能包括兒童運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、GPS定位、GSM通信、體溫檢測(cè)、MP3播放、語(yǔ)音對(duì)話(huà)、查看信息以及APP實(shí)時(shí)定位查詢(xún)等。

關(guān)鍵詞：STM32；兒童管家；GSM通信；GPS定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.112

針對(duì)兒童的健康及安全問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款電子監(jiān)護(hù)設(shè)備，讓父母可以隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)APP關(guān)注孩子。兒童在父母不在身邊的情況下，如果在路上遇到緊急情況，能夠通過(guò)該產(chǎn)品及時(shí)報(bào)警以及通知父母。而且當(dāng)孩子的體溫狀態(tài)異常時(shí)，父母能夠第一時(shí)間知悉，同時(shí)也能夠通過(guò)該產(chǎn)品與孩子實(shí)時(shí)通話(huà)。此外，父母還能夠查看孩子所處的位置。同時(shí)，我們也開(kāi)發(fā)了MP3播放功能，孩子可以使用我們的設(shè)備來(lái)收聽(tīng)音樂(lè)以及英語(yǔ)聽(tīng)力學(xué)習(xí)資料，為兒童的外語(yǔ)學(xué)習(xí)提供幫助。

我們所設(shè)計(jì)的兒童管家是一款能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)護(hù)人與兒童之間的智能交互，同時(shí)為兒童提供外語(yǔ)學(xué)習(xí)功能的多功能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。市面現(xiàn)有的監(jiān)護(hù)設(shè)備僅僅有通話(huà)功能和定位功能，基本上就是一部過(guò)時(shí)的手機(jī)，不夠人性化也不夠智能化。相比之下，我們所設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)設(shè)備不僅能夠通話(huà)通信，還能夠提供報(bào)警措施，加入多個(gè)附加功能，是一個(gè)功能全面的監(jiān)護(hù)設(shè)備。

本文所提供的方案經(jīng)驗(yàn)證可用，功能齊全且極具人性化。本系統(tǒng)采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32作為主控芯片，是一種利用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，結(jié)合GSM、GPS以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，將位置上傳到網(wǎng)絡(luò)；制作配套的APP，以實(shí)時(shí)查詢(xún)地圖位置；自主開(kāi)發(fā)的設(shè)備界面；具備通話(huà)通信功能；提供體溫檢測(cè)、異常報(bào)警等多功能的兒童安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 兒童管家整體設(shè)計(jì)和原理

1.1 系統(tǒng)控制器

本系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片來(lái)設(shè)

計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)的功能劃分為GSM模塊、GPS模塊、ADXL345模塊、熱敏模塊、光敏模塊、OLED顯示屏模塊、MP3模塊幾個(gè)部分。其硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

1.2.1 GSM通信與GPS定位

系統(tǒng)采用SIM900A這款傳統(tǒng)的GSM模塊，通過(guò)串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警、體溫異常短信通知、一鍵求救、通話(huà)等功能。

GPS通過(guò)串口與STM32通信，實(shí)時(shí)獲取地點(diǎn)信息并通過(guò)GSM的網(wǎng)絡(luò)功能將位置信息上傳至云平臺(tái)。我們能夠通過(guò)手機(jī)APP來(lái)連接云平臺(tái)，在地圖上實(shí)時(shí)查看位置信息。

1.2.2 GPS-APP定位查詢(xún)

如果想要使用手機(jī)實(shí)時(shí)獲取兒童管家的位置，就必須聯(lián)網(wǎng)獲取地圖信息，所以需要開(kāi)發(fā)一個(gè)APP來(lái)完善其功能。該APP是基于中移物聯(lián)網(wǎng)搭建的云平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，可以在后臺(tái)運(yùn)行，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)獲取地點(diǎn)信息并在手機(jī)客戶(hù)端顯示出確切的地圖位置，方便追蹤。當(dāng)打開(kāi)APP時(shí)，我們能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取定位信息，顯示其所在地圖的位置。

1.2.3 ADXL345運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能通過(guò)STM32 I2C與ADXL345通信。

ADXL345是一個(gè)性能優(yōu)良的三軸加速度傳感器。本系統(tǒng)我們用ADXL345來(lái)作運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)定一個(gè)加速度閾值，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的值時(shí)，就可以判斷為運(yùn)動(dòng)，我們?cè)诤竺鏁?huì)結(jié)合云平臺(tái)，在APP中顯示佩戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.2.4 FLASH存儲(chǔ)手機(jī)號(hào)碼

STM32的FLASH有16～1 024 KB不同容量，但是用于存儲(chǔ)手機(jī)號(hào)碼已經(jīng)足夠。當(dāng)接收到修改手機(jī)號(hào)碼指令時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)替換原來(lái)的手機(jī)號(hào)碼。而當(dāng)發(fā)送短信時(shí)，GSM會(huì)自動(dòng)提取FLASH中的手機(jī)號(hào)碼，從而發(fā)送短信到指定號(hào)碼。

1.2.5 NTC熱敏電阻溫度檢測(cè)

當(dāng)人體皮膚接觸熱敏電阻時(shí)，熱敏電阻阻值發(fā)生改變，同時(shí)引起電壓改變，通過(guò)STM32內(nèi)部的AD功能來(lái)檢測(cè)電壓，并通過(guò)一定的算法來(lái)計(jì)算實(shí)際溫度值。

1.2.6 設(shè)備脫落檢測(cè)

本功能通過(guò)光線(xiàn)感應(yīng)器來(lái)判斷設(shè)備是否脫落，用來(lái)確保佩戴者安全狀態(tài)。兒童管家的對(duì)象是兒童，通過(guò)兒童在外有意外發(fā)生引起的設(shè)備脫落，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送短信通知，以及時(shí)應(yīng)對(duì)意外情況。

1.2.7 OLED顯示屏

本系統(tǒng)的OLED主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可操作界面，分別有手機(jī)號(hào)碼、短信讀取、溫度、MP3播放模式、定位信息顯示等。

1.2.8 MP3音樂(lè)播放

本系統(tǒng)提供的MP3播放器具有播放歌曲、調(diào)節(jié)音量、切換歌曲等功能，同時(shí)可以成為兒童英文學(xué)習(xí)的一大幫手。

2 兒童管家硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要涉及到的硬件部分包括STM32F103ZET6系列芯片、SIM900A、GPS、三軸加速度ADXL345、熱敏電阻、TF卡、VS1053音頻解碼、OLED顯示屏。

2.1 STM32F103ZET6系列芯片

STM32F103ZET6系列芯片有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAM、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口和112個(gè)通用I/O口。

2.2 SIM900A

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定、操作方便、性?xún)r(jià)比高，并且能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的多種需求。

本系統(tǒng)STM32單片機(jī)與SIM900A通過(guò)串口通信，實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)和語(yǔ)音通信。

2.3 NEO-6M-GPS

系統(tǒng)采用NEO-6M GPG專(zhuān)用芯片，通過(guò)串口搜星定位。模塊自帶參數(shù)存儲(chǔ)、掉電保存功能，室外搜星能力好，定位精準(zhǔn)，是一款合適開(kāi)發(fā)的的GPS模塊。

2.4 三軸加速度ADXL345

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術(shù)的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有±2 g、±4 g、±8 g、±16 g可變的測(cè)量范圍，最高13 bit分辨率，固定的4 mg/LSB靈敏度，3 mm×5 mm×1 mm 超小封裝，40～145 μA超低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，32級(jí)FIFO存儲(chǔ)，以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，使其成為一款非常適合用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器應(yīng)用的加速度傳感器。

2.5 VS1053音頻解碼

VS1053是繼VS1003后荷蘭VLSI公司出品的又一款高性能音頻解碼芯片。該芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音頻格式的解碼，同時(shí)還可以支持ADPCM/OGG等格式的編碼，性能相比以往的VS1003提升不少。

2.6 OLED顯示屏

OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱(chēng)為有機(jī)電激光顯示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED由于同時(shí)具備自發(fā)光、不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡(jiǎn)單等優(yōu)異的特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。128×64的分辨率使得所設(shè)計(jì)的操作界面顯得很清晰，在小型監(jiān)護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)上更可謂錦上添花。

2.7 電源部分電路

因該系統(tǒng)GPS與GSM模組正常工作電壓為5 V，系統(tǒng)必須提供5 V的電源供應(yīng)。為此，使用3.7 V鋰電池升壓提供5 V電源，保證各模組正常工作，電源設(shè)計(jì)合理、可靠。

3 兒童管家系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的程序由Keil5軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)，主要的函數(shù)有模塊初始化、函數(shù)的調(diào)用等，比如OLED_Init（）、LED_Init（）等。模塊化的程序使得程序總體顯得整潔、美觀，易于修改和查錯(cuò)。程序的設(shè)計(jì)思路建立于分時(shí)操作方式，通過(guò)定時(shí)器定時(shí)來(lái)分配工作。程序流程如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)按預(yù)期實(shí)現(xiàn)了各個(gè)相關(guān)功能。在經(jīng)過(guò)多次的電路改進(jìn)以及調(diào)試以后，電路設(shè)計(jì)上減少了各模塊之間的干擾，改善過(guò)的模塊化程序設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。本系統(tǒng)與市面上的監(jiān)護(hù)設(shè)備相比顯得更加專(zhuān)業(yè)，在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的情況下加入諸多附加功能，使得本系統(tǒng)更加完整、人性化，操作簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性高，而且在成本上也很有優(yōu)勢(shì)。這款關(guān)愛(ài)兒童的智能監(jiān)護(hù)設(shè)備如果能夠量產(chǎn)出來(lái)，相信會(huì)有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.原子教你玩STM32[M].北京：北京航天大學(xué)出版社，2013：5-6，467-468.

[2]翟順，王衛(wèi)紅，張衎，等.基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報(bào)警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（5）：86-89.

[3]王晏，韓宏偉.LED照明產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景分析[J].青海科技，2010（05）：18-22.

[4]侯振義.直流開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：80-99.

〔編輯：劉曉芳〕