基于GPRS的物聯網智能保險箱設計

王佳 張煥明 黎洋杰 呂浩軒 李海霞

編者按：文章提出了基于STM32F4架構下的物聯網智能保險箱的設計方案。通過GPSR模塊與阿里云平臺達到物聯網的效果，保險箱通信覆蓋面積大且傳輸速度快，可以靈活應用于家庭保險領域。保險箱具有GPS定位、被盜報警、密碼解鎖、語音解鎖等功能，相對于其他保險箱，該款保險箱安全性更強，尤其追蹤找回效果更有優勢。可通過Android手機App實現與保險箱的通信，實現物聯網控制。

引言

隨著物聯網領域的發展和個人保密工具的需求日益提高，傳統產品正在向智能化過渡，因此與物聯網相關的智能化產品的發展即將越來越發達。

由于STM32系統強大的中斷機制，各模塊如同多線程分布式獨立工作，可根據需求將軟件功能獨立應用于各個模塊的控制，從而使其擁有高度的靈活度，是應用于產品智能化的不二之選。而現有的保險箱幾乎不包括網絡功能，即使是專業的保險箱行業也是專注箱體架構強度，沒有結合發達的物聯網提出安全性能更高的保險箱，不管是安全性，還是操作性，傳統的保險箱都不夠理想。而結合物聯網的智能保險箱在一定程度上，成本是更高的，但是安全性和操作性都達到了全新的高度，并且隨著物聯網的不斷發展，工業進程的不斷更新，其成本方面將會在今后不斷降低，越來越為大眾所接受。

本文的目的在于提供一種結合物聯網的智能保險箱的原理框架與設計方案，突破傳統保險箱設計，相對擁有更高的智能性。

保險箱系統功能設計

構成保險箱的硬件系統包括CPU：STM32F407ZGT6處理器，SIM800C GSM-GPRS模塊（獲取基站定位信息并網絡上傳阿里云平臺），LD3320語音識別模塊，8400mAH帶充電器的鋰電池，5V步進電機，ULN2003電機驅動板，紅外掃描儀（開箱檢測），矩陣鍵盤模塊（實現密碼解鎖），盒子儲物箱（演示用），小車底板以及車輪、螺絲釘、銅柱、杜邦線若干用于構造保險箱。除了零件外，需要一部智能Android手機來運行App檢測系統，同時需要配置好阿里云平臺相關設置，以便定位、開箱數據的接收。系統框圖和功能框圖如圖1、圖2所示。

通過GPSR模塊的基站定位，獲取保險箱的網絡定位信息。通過紅外掃描儀檢測保險箱的開關狀態，并將該信息發送給處理器，處理器再調用GPSR模塊，將地理位置和開關狀態一并發送到阿里云平臺;通過矩陣鍵盤建立密碼鎖外設，當密碼正確，外部中斷，步進電機工作，打開保險箱;通過LD3320模塊建立語音識別，當語音信息匹配時，外部中斷打開，步進電機工作，打開保險箱;通過Andriod App獲取GPSR上傳的信息，并轉換為地圖顯示位置和開關狀態提示。

主要功能實現為軟件硬件獨立進行，軟件負責監控硬件狀態，硬件負責保險箱的運行。對密碼鎖進行開鎖時，有兩種開鎖方式，語音識別與按鍵密碼，當成功開鎖時，觸發紅外掃描儀，CPU與GPSR模塊通信，Andriod App上會將關閉狀態更改為開鎖狀態。同時，App上的保險箱地理位置會在地圖上顯示，一旦被移動，App上的地理位置將會隨著移動，以便被盜后報警追回。

保險箱系統結構設計

智能鎖設計

智能鎖開關由步進電機外部中斷控制，其步進電機外部中斷是由處理器通過串口控制電機驅動模塊驅動步進電機工作來實現的。其外部中斷的途徑有兩種，一種是矩陣鍵盤輸入密碼引起外部中斷;第二種是通過LD3320模塊的語音識別引起外部中斷。鎖的本身是STM32處理的部分外設與機械裝置的結合，參考圖3智能鎖的說明框圖可知。

矩陣鍵盤開鎖方式為按鍵密碼，語音識別開鎖方式為語音密碼。

LD3320語音識別

LD3320模塊是一個比較完整的模塊，容易嵌入在一些含有串口功能的產品中，雖然是非特定語音識別，但是也足夠采用比較生僻的語音密碼來防止盜竊，模塊自帶MCU，底層有驅動和生成幀格式通信，具有體積小、反應速度快、識別靈敏、識別率高等優點，同時性價比也非常高。語音識別結果直接通過串口輸出，故直接與STM32串口相連，完成語音控制開關。

紅外掃描儀

本設計采用的紅外傳感器沒有特殊要求，市場上也有許多的光敏和紅外傳感器，在這里主要是檢測是否箱子的頂蓋被打開。

步進電機與電機驅動模塊

由于STM32處理器作為控制處理器，理論上功率不允許直接搭載一個電機模塊，所以電機驅動模塊同樣也需要接電源。該部位作為保險箱的開關，如圖3所示，由電機轉動時，可以將焊接在電機上的一定長度和強度金屬棒轉動一定角度，使保險箱在這種機械結構下，可以開啟箱體。

GPRS模塊

本設計采用的是SIM800C GSM-GPRS模塊，GPSR是分組無線業務的簡稱，能提供比GSM網9.6kbit/s更高的數據率，采用與GSM相同的頻段，頻帶寬度，突發結構無線調制標準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。本設計中，GPSR模塊需要另外加電源供電，主要完成功能為與CPU通信，通過MQTT協議上傳信息至阿里云，為Andriod App調用。

軟件設計

本設計使用Android Studio、SDK開發，主要使用了map地圖組件以及串口編程技術，利用MQTT協議進行云數據的實時接收。由于阿里云平臺是使用固定IP，所設計的Andriod App需要使用外網，登陸后臺，獲取云數據。

結語

本設計主要以嵌入式技術結合物聯網技術設計了一種結合STM32、GPRS、步進電機、紅外掃描儀、LD3320等設備的物聯網智能保險箱，極大地加強使用的操作性和安全性，促進智能保險水平的提高，滿足日益增長的安全隱私保險的需求。

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第一作者：王佳（1997—），廣東揭陽人，學生，現就讀于佛山科學技術學院，主要從事嵌入式方向研究工作。