基于物聯(lián)網(wǎng)的智能書包系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋天慧 彭啟航 楊毅

摘要：在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的新時(shí)代背景下，智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用層出不窮。以STM32單片機(jī)芯片作為主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款智能書包，依據(jù)GPS定位技術(shù)和GSM通信技術(shù)，可在兒童走失時(shí)將實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息發(fā)送到父母手機(jī)上，以此確定具體位置找到兒童。此外，基于傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了開包照明功能，便于在光線較暗的環(huán)境下查找包內(nèi)物品。

關(guān)鍵詞：智能書包;STM32;GPS定位;GSM

中圖分類號(hào)：TP301? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0144-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The Design of Smart School Bag System Based on Internet of Things

SONG Tian-hui， PENG Qi-hang， YANG Yi

（School of Computer Science and Technology， Taizhou University， Taizhou 225300， China）

Abstract：Under the background of the rapid development of Internet of things technology， the application of intelligent control system is emerging one after another. Taking STM32 single chip microcomputer chip as the main control system， an intelligent schoolbag is designed. According to GPS positioning technology and GSM communication technology， the real-time longitude and latitude information can be sent to the parents' mobile phone when the child is lost， so as to determine the specific location and find the child. In addition， the open package lighting function is designed based on sensor technology， which is convenient to find the items in the package in the dark environment.

Key words： smart school bag; STM32; GPS positioning; GSM

1 引言

日常生活中，因?yàn)閮和{(diào)皮而走失的情況時(shí)有發(fā)生，這種情況對家長、學(xué)校乃至公安部門造成了很大的困擾[1-2]。書包是與兒童接觸時(shí)間很長的物品，兒童經(jīng)常會(huì)隨身攜帶。為了對兒童的安全起到一定的保障，設(shè)計(jì)了一款智能書包。該智能書包是以STM32單片機(jī)芯片作為主控系統(tǒng)，將GPS定位系統(tǒng)與書包相結(jié)合，一旦兒童意識(shí)到自己走丟或者遇到危險(xiǎn)的時(shí)候，便可以按下求救按鈕驅(qū)動(dòng)GSM短信模塊發(fā)送兒童實(shí)時(shí)經(jīng)緯度給家長，進(jìn)而使得家長可以盡快確定兒童位置，保障兒童安全。本系統(tǒng)除了具有GPS實(shí)時(shí)定位和短信求救功能外，還具備了相當(dāng)便利的開包照明功能，運(yùn)用光照傳感器，給兒童以更好的使用舒適度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)模塊：主控模塊（STM32），GPS定位模塊，GSM短信模塊，光敏模塊，LCD顯示模塊，按鍵模塊以及照明模塊。主控模塊（STM32）負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的控制，GPS模塊負(fù)責(zé)位置信息獲取，GSM模塊負(fù)責(zé)位置信息發(fā)送，光敏模塊負(fù)責(zé)檢測環(huán)境光照強(qiáng)度，LCD顯示模塊負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前位置信息，按鍵模塊具有重置系統(tǒng)和發(fā)送位置信息兩種功能，照明模塊則為本系統(tǒng)提供模擬開包照明的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1.1 GPS定位模塊

本系統(tǒng)通過GPS模塊解析當(dāng)前兒童所處經(jīng)緯度這一具體信息。GPS定位模塊通過計(jì)算與每個(gè)低軌或者同步衛(wèi)星的偽距離，利用距離交會(huì)算法得出電文接收設(shè)備的經(jīng)緯度、高度、時(shí)間等參數(shù)[3-4]。該GPS模塊采用NEO-6M定位模組，該模組采用串口方式與單片機(jī)連接，增加了信號(hào)放大電路，有利于快速定位搜索信號(hào)。GPS模塊電路圖如圖2所示。

2.1.2 GSM短信模塊

本系統(tǒng)采用SIM800L作為短信模塊，一旦兒童發(fā)生走失或意外，則可以按下按鍵，通過按鍵模塊控制SIM800L短信模塊發(fā)送位置信息。該模塊的電源電壓是3.3V，所以需要添加一個(gè)串口通信的降壓電路。GSM模塊電路圖如圖3所示。

2.1.3 光敏模塊

為了提供更高的舒適度，本系統(tǒng)運(yùn)用了一款光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)行光照實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)打開書包時(shí)，該光敏檢測模塊會(huì)根據(jù)當(dāng)前光照強(qiáng)度決定是否開啟書包內(nèi)部的照明燈，該模塊電路圖如圖4所示。

2.1.4 按鍵模塊

本系統(tǒng)采用的是兩位獨(dú)立按鍵調(diào)節(jié)模塊，開關(guān)采用的是四腳微動(dòng)開關(guān)。微動(dòng)開關(guān)是利用傳動(dòng)元件將力作用于簧片上，在這個(gè)四腳未動(dòng)開關(guān)中，有一對引腳相同，通過按壓即可導(dǎo)通整個(gè)電路[5-6]。當(dāng)按壓結(jié)束后，簧片可以產(chǎn)生反向作用力。因按壓時(shí)產(chǎn)生的力分布不均勻，可能會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的誤差，需要在程序中進(jìn)行按鍵消抖操作[7]。按鍵模塊電路圖如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的運(yùn)行順序?yàn)椋焊髂K初始化，然后通過光照傳感器獲取光照強(qiáng)度來判斷是否需要打開照明燈。接收GPS數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理并將位置信息顯示在LCD顯示器上，再由按鍵模塊控制GSM模塊當(dāng)前位置信息的發(fā)送。主程序流程圖如圖6所示。

2.2.2 GPS模塊程序設(shè)計(jì)

采用GPS模塊作為定位模塊。該GPS模塊系統(tǒng)通上電后，經(jīng)過初始化后，開始搜索信號(hào)，當(dāng)模塊收到信號(hào)后，提取出有關(guān)經(jīng)緯度信息，以便用于對兒童的定位。其具體運(yùn)行流程圖如圖7所示。

2.2.3 GSM模塊程序設(shè)計(jì)

GSM 模塊選用SIM800L模塊， SIM800L 搭建了家屬和兒童之間走失檢測信息傳輸?shù)耐ㄐ艠蛄骸SM模塊搜索信號(hào)并獲取GPS模塊的實(shí)時(shí)位置信息，在兒童需要幫助按下發(fā)送信息按鍵后，通過 AT 指令發(fā)送求救短信。 GSM 模塊流程圖如圖8所示。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)測試對象主要包括GPS模塊、GSM和按鍵模塊以及光敏模塊。

3.1 GPS模塊測試

由于該GPS模塊對于信號(hào)的要求嚴(yán)格，此次測試的地點(diǎn)選擇了開闊的陽臺(tái)，便于此GPS模塊能夠更快更好地接收到來自衛(wèi)星的定位信號(hào)。接通電源，當(dāng)GPS接收不到信號(hào)時(shí)，其呼吸燈不閃爍，如圖9所示。

當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，呼吸燈處于規(guī)律閃爍狀態(tài)，并在顯示器上顯示當(dāng)前位置信息，如圖10所示。

3.2 GSM和按鍵模塊測試

插入電話卡，GSM搜索到信號(hào)，按下按鍵，按鍵模塊控制GSM模塊向預(yù)先設(shè)定好的父母方手機(jī)發(fā)送位置短信。接收到的短信顯示當(dāng)前經(jīng)緯度信息與LCD顯示屏上的信息一致，顯示結(jié)果如圖11和圖12所示。

3.3 光敏模塊測試

打開光照傳感器，若測試時(shí)間選擇白天，光照較強(qiáng)處，則LED燈未開，測試結(jié)果如圖13所示。若測試時(shí)間選擇黑夜，光照較弱處，則LED燈打開，測試結(jié)果如圖14所示。

4 結(jié)論

該基于物聯(lián)網(wǎng)的智能書包系統(tǒng)設(shè)計(jì)了GPS、GSM和光敏等模塊，實(shí)現(xiàn)了信息感知、位置查詢、開包照明功能。該系統(tǒng)通過GPS定位模塊將定位信息實(shí)時(shí)采集出來，經(jīng)處理后得到兒童當(dāng)前所在經(jīng)緯度等信息，在兒童需要幫助時(shí)，可通過按下按鍵控制GSM模塊發(fā)送其位置信息到家長手機(jī)。同時(shí)借助光照傳感器添加了開包照明功能，在光照強(qiáng)度低時(shí)打開LED燈來提供照明，為使用者提供方便。

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【通聯(lián)編輯：梁書】