基于STM32 平臺的校園智能電子學生筆記本的設計與實現

姚曉英，熊星源，秦夢文，張雅璐，周 捷，朱孟春，龍 慧

（長沙師范學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙 400100）

0 引 言

本文設計了一款基于STM32 平臺的校園智能電子學生筆記本，該筆記本通過終端設備對學生進行統一信息管理，教師和家長可通過使用對應的網頁端、客戶端等查看學生的日常信息，如考勤情況、學習進度等。該智能電子筆記本的使用促進了校園管理智能化、校園生活一體化、校園設施數字化、課堂教學生動化、家校溝通無縫化的實現[1-2]。

1 系統構成

本文設計的智能電子學生筆記本具有便捷測溫、GPS 定位、親情通話、校園考勤等功能。按照智能電子學生筆記本所需功能，把系統分為主控芯片、顯示模塊、溫度傳感器模塊、北斗GPS 模塊、4G 通信模塊和IC 卡感應模塊，分別實現主控功能、顯示數據功能、便捷測溫功能、GPS 定位功能、親情通話功能和校園考勤功能。系統總體框架如圖1所示。

圖1 智能電子學生筆記本系統總體結構

2 硬件設計

2.1 主控單元

本設計選用的主控芯片如圖2 所示。采用STM32F103C8型芯片[3]作為本次設計的內核。STM32F103C8 用于處理外設采集的信息，并對外部連接設備進行控制，完成各芯片間的通信。本系統將STM32 的I/O 口與顯示模塊連接，使用單總線技術實現STM32 和外設溫度傳感器的通信，將讀取的溫度信息傳至顯示模塊；STM32 從串口獲取GPS 定位信息，再通過串口傳送信息至上位機；STM32 的映射端口與4G 通信模塊連接，實現通話功能。

圖2 單片機最小系統

2.2 顯示模塊

智能學生電子筆記本需要顯示通過STM32 采集的溫度信息和IC 卡信息，故選用OLED 模塊。OLED 顯示模塊采用ATK-0.96’OLED，該OLED 模塊提供了4 種接口方式，其中，I2C 接口模式只需使模塊的BS1 接高電平，使BS2 接地即可，僅需2 根線便可控制OLED，故選擇I2C 接口模式。OLED 電路和接線圖如圖3、圖4 所示。

圖3 ATK-0.96’OLED 電路

圖4 ATK-0.96’OLED 接線圖

2.3 便捷測溫模塊

測溫模塊選用DS18B20 溫度傳感器[4]，模塊電路如圖5所示。芯片主要分為讀寫時序兩個部分，1 時段和9 時段負責寫入讀入。控制器通過I/O 口向DS18B20 芯片寫入1/0 時段，在每個時段添加延時并進行初始化，初始化的完成需由主控制器拉低總線，在控制器初始化寫時段后，DS18B20 將在15 μs 至 60 μs 的時間窗口內對總線采樣。如果總線在采樣窗口期間為高電平，則邏輯1 被寫入DS18B20；若總線為低電平，則邏輯0 被寫入DS18B20。

圖5 DS18B20 模塊電路

2.4 北斗GPS 模塊

根據學生的安全需求，在此產品中加入北斗GPS 模塊實現定位功能。北斗GPS 模塊選用ATK-S1216F8-BD 型號的GPS 北斗模塊[5-6]，該模塊是一款高性能芯片，其靈敏度高，測量輸出的范圍廣，且支持串口操作，可通過連接串口進行參數設置，內部自帶FLASH。本文主要通過STM32 單片機控制北斗GPS 模塊芯片，電源采用3.3 V 或5 V，滿足單片機的要求。模塊原理如圖6 所示。

圖6 ATK-S1216F8-BD 模塊電路

2.5 4G 通信模塊

考慮到學生在不帶手機的情況下存在與家長聯系的需求，故本產品添加了4G 通信模塊，方便使用者通過按鍵撥打、接聽和掛斷電話。選用的ATK-GM510 模塊采用高新興物GM510C2E_L，4 模13 頻LTE 制式的移動網絡通信模組，其支持移動2G/3G/4G，聯通3G/4G，電信4G，板載3.5 mm 耳機和麥克風座，連接有線耳機即可通話。模塊電路如圖7 所示。

圖7 4G 通信模塊電路

ATK-GM510 模塊的IXD 與STM32 的引腳PB11 相連，接線圖如圖8 所示。RXD 與STM32 的引腳PB10 相連，電源輸入接口連接電源，GND 接地，SIM 卡座插入電話卡，主天線接口連接外部天線。

圖8 引腳接線圖

3 系統軟件設計

本系統軟件設計主要分為四大部分：

（1）第一部分為IC 卡感應模塊，其用于獲取IC 卡信息，并將其反饋到單片機，再傳送信息至顯示屏。

（2）第二部分為便捷測溫模塊，其用于采集溫度信息，再傳送信息至顯示屏。

（3）第三部分為GPS 定位模塊，其用于獲取位置數據，進行數據分析，上傳數據到地圖并顯示。

（4）第四部分為4G 通話模塊，其用于完成等待電話信號，執行撥打、接通和掛斷等操作。

系統總體設計如圖9 所示。

圖9 系統軟件總體設計圖

3.1 顯示模塊軟件設計

顯示模塊用于顯示獲取的溫度數據和IC 卡數據。寫顯示模塊的代碼，在main 函數中，無論是刷卡模塊還是溫度模塊均可調用顯示模塊的代碼，把數據顯示在顯示屏。首先，設置STM32 與顯示模塊連接的I/O，對I/O 口進行初始化，本文使用宏定義OLED_MODE 設置I/O 口為開漏模式，SCL、SDA 引腳均設置為開漏模式，將I2C 設置為快捷模式。然后，初始化OLED，初始化代碼使用模塊自帶的默認初始化參數。最后，完成的函數包括：OLED_SetPos（設置光標）、OLED_Fill（填充整個屏幕）、OLED_CLS（清屏）、OLED_ON（將OLED 從休眠狀態喚醒）、OLED_OFF（OLED 休眠）、OLED_ShowStr（顯示字符串）、OLED_ShowCN（在OLED上顯示中文）、OLED_ShowInt（顯示6×8 或8×16 的5 位整數）[7-8]。

顯示模塊主要代碼如下所示：

3.2 便捷測溫軟件

便捷測溫模塊的功能是獲取人體表面的溫度數據，根據DS18B20 數據手冊，使用單總線技術實現STM32 與外部溫度傳感器的通信。復位DS18B20，開機時先檢測DS18B20是否存在，如果不存在，提示錯誤。如果發現了DS18B20，硬件按照單總線操作時序讀取DS18B20 的溫度值，然后通過DS18B20_Get_Temp 函數讀取DS18B20 中的溫度，程序每隔約100 ms 讀取一次數據，并把溫度顯示在顯示屏上。溫度檢測流程如圖10 所示。

圖10 溫度檢測流程

DS18B20 主要代碼如下所示：

3.3 北斗GPS 軟件設計

北斗GPS模塊流程如圖11所示。系統運行時首先初始化，判斷是否為數據接收標志位，若檢測到數據接收標志位則解碼北斗時間后編碼，顯示當前狀態[9-10]。

圖11 GPS 工作流程

北斗GPS 模塊用于獲取定位數據。NMEA-0183 數據解析部分利用數逗號的方法進行解析。模塊自帶默認設置的SkyTraq 協議控制部分。在main 函數中，先初始化硬件，再通過SkyTra_Cfg_Rate 函數判斷GPS 模塊是否在位，若不在位，便修改模塊的波特率，直到函數檢測到模塊在位。隨后，函數進入死循環，等待串口2 接收GPS 數據，接收到GPS模塊傳輸的數據并執行數據解析操作，解析完后顯示GPS 定位數據。北斗GPS 模塊主要代碼如下所示：

3.4 4G 通信軟件設計

4G 通話模塊的功能通過電話卡實現，程序流程如圖12所示。本模塊首先在led.c 和led.h 中宏定義兩個按鍵，分別用于撥通電話和掛斷電話。在main 函數中初始化兩個按鍵，兩個按鍵均處于空閑狀態。當按鍵1 被按下，判斷是否檢測到電話，若未檢測到電話，則撥通設置好的電話號碼，并將號碼顯示在顯示屏上；如果檢測到電話，則執行接聽電話的操作。按鍵2 被按下，掛斷電話。

圖12 4G 通話流程

4 結 語

該文基于STM32F103C8 單片機研制了一種智能電子學生筆記本。該應用是一款符合教育發展、學校管理、安全便捷理念的一卡通智能電子學生筆記本，是貼合校園中小學學生、家長、教師、學校需求的智慧校園綜合體。