基于STM32的兒童管家設計

張潮城　奚維立　張敬博　陳景國

摘 要：介紹了一套能實時查看兒童位置、可語音通話、能在意外發生時及時報警并且能夠為兒童學習提供幫助的電子監護設備。該系統以STM32為主控芯片，其主要功能包括兒童運動檢測、GPS定位、GSM通信、體溫檢測、MP3播放、語音對話、查看信息以及APP實時定位查詢等。

關鍵詞：STM32；兒童管家；GSM通信；GPS定位

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.112

針對兒童的健康及安全問題，我們設計了一款電子監護設備，讓父母可以隨時隨地通過手機APP關注孩子。兒童在父母不在身邊的情況下，如果在路上遇到緊急情況，能夠通過該產品及時報警以及通知父母。而且當孩子的體溫狀態異常時，父母能夠第一時間知悉，同時也能夠通過該產品與孩子實時通話。此外，父母還能夠查看孩子所處的位置。同時，我們也開發了MP3播放功能，孩子可以使用我們的設備來收聽音樂以及英語聽力學習資料，為兒童的外語學習提供幫助。

我們所設計的兒童管家是一款能夠實現監護人與兒童之間的智能交互，同時為兒童提供外語學習功能的多功能監護系統。市面現有的監護設備僅僅有通話功能和定位功能，基本上就是一部過時的手機，不夠人性化也不夠智能化。相比之下，我們所設計的監護設備不僅能夠通話通信，還能夠提供報警措施，加入多個附加功能，是一個功能全面的監護設備。

本文所提供的方案經驗證可用，功能齊全且極具人性化。本系統采用以ARM Cortex-M3為內核的STM32作為主控芯片，是一種利用運動檢測算法，結合GSM、GPS以及物聯網云平臺，將位置上傳到網絡；制作配套的APP，以實時查詢地圖位置；自主開發的設備界面；具備通話通信功能；提供體溫檢測、異常報警等多功能的兒童安全監護系統。

1 兒童管家整體設計和原理

1.1 系統控制器

本系統采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32芯片來設

計，將整個系統的功能劃分為GSM模塊、GPS模塊、ADXL345模塊、熱敏模塊、光敏模塊、OLED顯示屏模塊、MP3模塊幾個部分。其硬件設計架構如圖1所示。

1.2 系統工作原理

1.2.1 GSM通信與GPS定位

系統采用SIM900A這款傳統的GSM模塊，通過串口通信來實現短信報警、體溫異常短信通知、一鍵求救、通話等功能。

GPS通過串口與STM32通信，實時獲取地點信息并通過GSM的網絡功能將位置信息上傳至云平臺。我們能夠通過手機APP來連接云平臺，在地圖上實時查看位置信息。

1.2.2 GPS-APP定位查詢

如果想要使用手機實時獲取兒童管家的位置，就必須聯網獲取地圖信息，所以需要開發一個APP來完善其功能。該APP是基于中移物聯網搭建的云平臺開發的，可以在后臺運行，通過聯網獲取地點信息并在手機客戶端顯示出確切的地圖位置，方便追蹤。當打開APP時，我們能夠實時、準確地獲取定位信息，顯示其所在地圖的位置。

1.2.3 ADXL345運動檢測

運動檢測功能通過STM32 I2C與ADXL345通信。

ADXL345是一個性能優良的三軸加速度傳感器。本系統我們用ADXL345來作運動分析，設定一個加速度閾值，當超過設定的值時，就可以判斷為運動，我們在后面會結合云平臺，在APP中顯示佩戴者的運動狀態。

1.2.4 FLASH存儲手機號碼

STM32的FLASH有16～1 024 KB不同容量，但是用于存儲手機號碼已經足夠。當接收到修改手機號碼指令時，系統將會替換原來的手機號碼。而當發送短信時，GSM會自動提取FLASH中的手機號碼，從而發送短信到指定號碼。

1.2.5 NTC熱敏電阻溫度檢測

當人體皮膚接觸熱敏電阻時，熱敏電阻阻值發生改變，同時引起電壓改變，通過STM32內部的AD功能來檢測電壓，并通過一定的算法來計算實際溫度值。

1.2.6 設備脫落檢測

本功能通過光線感應器來判斷設備是否脫落，用來確保佩戴者安全狀態。兒童管家的對象是兒童，通過兒童在外有意外發生引起的設備脫落，系統會自動向監護人發送短信通知，以及時應對意外情況。

1.2.7 OLED顯示屏

本系統的OLED主要是實現系統可操作界面，分別有手機號碼、短信讀取、溫度、MP3播放模式、定位信息顯示等。

1.2.8 MP3音樂播放

本系統提供的MP3播放器具有播放歌曲、調節音量、切換歌曲等功能，同時可以成為兒童英文學習的一大幫手。

2 兒童管家硬件平臺設計

本系統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個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、3個SPI、2個I2C、5個串口、1個USB、1個CAM、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口和112個通用I/O口。

2.2 SIM900A

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩定、操作方便、性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求。

本系統STM32單片機與SIM900A通過串口通信，實現短信的收發和語音通信。

2.3 NEO-6M-GPS

系統采用NEO-6M GPG專用芯片，通過串口搜星定位。模塊自帶參數存儲、掉電保存功能，室外搜星能力好，定位精準，是一款合適開發的的GPS模塊。

2.4 三軸加速度ADXL345

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術的三軸、數字輸出加速度傳感器。ADXL345具有±2 g、±4 g、±8 g、±16 g可變的測量范圍，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；標準的I2C或SPI數字接口，32級FIFO存儲，以及內部多種運動狀態檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡化運動檢測算法，使其成為一款非常適合用于運動檢測器應用的加速度傳感器。

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。該芯片可以實現對MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音頻格式的解碼，同時還可以支持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，即有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機電激光顯示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED由于同時具備自發光、不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異的特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。128×64的分辨率使得所設計的操作界面顯得很清晰，在小型監護設備的設計上更可謂錦上添花。

2.7 電源部分電路

因該系統GPS與GSM模組正常工作電壓為5 V，系統必須提供5 V的電源供應。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，電源設計合理、可靠。

3 兒童管家系統程序設計

整個系統的程序由Keil5軟件設計編寫，主要的函數有模塊初始化、函數的調用等，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。程序的設計思路建立于分時操作方式，通過定時器定時來分配工作。程序流程如圖2所示。

4 結束語

經過測試，本系統按預期實現了各個相關功能。在經過多次的電路改進以及調試以后，電路設計上減少了各模塊之間的干擾，改善過的模塊化程序設計使得系統更加穩定。本系統與市面上的監護設備相比顯得更加專業，在實現基礎功能的情況下加入諸多附加功能，使得本系統更加完整、人性化，操作簡單、使用方便、實用性高，而且在成本上也很有優勢。這款關愛兒童的智能監護設備如果能夠量產出來，相信會有良好的市場前景。

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〔編輯：劉曉芳〕