便攜式多功能防走失定位儀設計

向誠　王廣　何陽　袁清　蒲劍　曹聰

【摘 要】本文借助μC/OS-II系統(tǒng)，采用STM32微處理控制器，來設計多功能的走失定位儀的程序，并給出了詳細的系統(tǒng)設計過程。該定位儀簡單方便，且可監(jiān)督使用者的身體狀況，并且發(fā)出語言提示，同時還能檢測PM2.5濃度、GPS定位和自動發(fā)短信求救等功能。

【關鍵詞】STM32；μC/OS-II；定位；防走失；語言提示

0 引言

隨著社會的發(fā)展，我國的人口老齡化越來越嚴重，老年人在過幸福而閑適生活的同時，越來越重視從物質(zhì)生活到精神生活的轉(zhuǎn)移，以及健康地鍛煉身體上。然而，子女們因生活節(jié)奏的加快，都過著繁忙而又緊張的生活，時刻守護在老人身邊變得十分困難，加上年事已高的老年人往往記憶力下降，且身患多種疾病，近年來，老人外出走失和老年人突發(fā)意外情況昏迷未能及時發(fā)現(xiàn)最終離世的情況屢見不鮮[1，3]。

基于這一現(xiàn)狀，我們設計出一種移動安康通助老設備——基于移動終端的便攜式防走失定位儀，該定位儀不僅具有移動定位、移動援助等特殊功能，利用網(wǎng)絡優(yōu)勢幫助老人的子女及親友隨時確定老人所在的區(qū)域位置，也可以通過短信和撥打電話等方式通知老人的子女及親友，并能對老年的常見身體健康參數(shù)等進行監(jiān)控和語言預警等，同時還能對當天的環(huán)境參數(shù)進行檢測和超標預警。

1 系統(tǒng)方案設計

本系統(tǒng)從功能上看，由STM32微處理器與Ucos系統(tǒng)相結合的核心部分、各傳感器檢測部分、GSM數(shù)據(jù)傳輸傳輸部分以及GPS定位部分等四個部分組成，系統(tǒng)結構框圖設計如圖1所示。其中，STM32微處理器是整個系統(tǒng)的核心，對定位模塊、脈搏與心率測量等檢測模塊、GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊進行控制，并將得到的數(shù)據(jù)整理判斷后通過GSM模塊傳輸至移動終端、發(fā)送位置信息等。

2 硬件設計

2.1 電源電路設計

本系統(tǒng)設計的各個模塊均采用5V供電，為保證系統(tǒng)能正常工作，一個穩(wěn)定的電源電路是必不可少的。本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓集成電路7805。為了各模塊對單片機和其它集成芯片造成干擾，需要分開供電。

2.2 STM32微處理器電路設計

脈搏與心率測量等檢測、GSM數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位、語音提示及PM2.5檢測等模塊都需串口進行數(shù)據(jù)輸入，為滿足要求，本設計采用STM32芯片作為核心處理器。該芯片接收各個模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過GSM發(fā)送信息。電路設計如圖2所示。

對STM32F103ZET6的設計主要包含電源、復位與晶振電路。電源部分采用5V電壓供電，并用一個LED指示燈L1來表示其工作狀態(tài)。復位電路中包含了上電復位和按鍵復位S1，晶振頻率采用11.0592MHZ。

2.3 GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊電路設計

GSM數(shù)據(jù)傳輸采用SIM900A模塊，該模塊采用5V供電，其輸入電壓要添加1000μF的大電容濾波。TTL電平串口自適應兼容3.3V和5V單片機，所以可以直接與stm32芯片相連接。該模塊的串口電路采用TVS和磁珠保護器件保護，使模塊不會受到浪涌、高電壓的傷害。5V供電電源接口添加保護電路，即使接反了也不會燒模塊[2]。

2.4 GPS定位模塊電路設計

定位設計采用ATK-NEO-6M-V2.3型GPS模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M定位模組，自帶MAXIM公司高增益（20.5dB）LNA芯片，搜索衛(wèi)星能力極強，并與高性能陶瓷天線結合，組成接收天線。天線E1接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達芯片RF_IN引腳，經(jīng)過芯片內(nèi)部信號放大、過濾噪聲、降頻、取樣等過程，信號再進入基頻處理，將前段取樣的數(shù)字信號經(jīng)過運算處理數(shù)據(jù)后從串口RTD1、TXD1引腳輸出至從STM32芯片，BT1為3.5V的備用電池，用于模塊掉電時的數(shù)據(jù)保存。

2.5 語音模塊電路設計

語音提示設計采用ISD1820語音模塊，ISD1820芯片采用CMOS技術，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大、自動增益控制、防混淆濾波器及FLASH陣列等。該模塊支持10秒語音錄放，通過設置可進入循環(huán)播放工作模式，工作電壓3-5V。

語音提示電路設計如圖3所示，S5為錄音按鍵，可以通過Mic輸入語音提示內(nèi)容，S3為觸發(fā)模式按鍵，為出現(xiàn)高電平時自動播放當前整段的語音，S4為點動模式按鍵，出現(xiàn)高電平時播放語音，低電平時停止播放，本設計采用整段語音提示播放。為增加揚聲器音量，在主單片機觸發(fā)語音模塊后，ISD1820輸出信號還經(jīng)過由LM386、R57、R60、C47、C50構成的差分放大電路進行放大處理。

2.6 PM2.5檢測模塊電路設計

顆粒物檢測采用日本夏普公司粉塵傳感器GP2Y1051AU0F，該傳感器內(nèi)置氣流發(fā)生器可以自行吸入外部空氣，可用于室內(nèi)環(huán)境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的檢測，可以用來測量0.8微米以上的微小粒子，工作電壓0.3-7V。

電路設計如圖4所示。傳感器在插上電源1s鐘之后穩(wěn)定正常工作，使用串口輸出至主單片機P1^0口，通過串口直接讀取穩(wěn)定電壓。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括Ucos系統(tǒng)控制端的操作軟件設計、基于stm32芯片對各個模塊的控制軟件設計、對顯示界面的軟件設計等。圖5為stm32主機與各個模塊的控制關系。它是在未考慮各個模塊間內(nèi)在聯(lián)系的基礎上，簡要的展現(xiàn)各個模塊受主機控制的過程?；谖恼缕?，本文僅對脈搏與心率測量等等幾個模塊的軟件設計作說明。

3.1 脈搏與心率測量等檢測模塊軟件設計

初始化串口，采集該模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)主要是傳感器檢測脈搏的模擬電壓數(shù)據(jù)，用stm32內(nèi)部自帶AD進行檢測然后進行數(shù)值轉(zhuǎn)換即可得到使用者的心率以及脈搏。設計流程如圖6所示：

3.2 GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設計

對GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設計如圖7所示。在GUI初始化完成后再初始化串口，通過指令AT+CMGS=要通信的目的手機號碼，即為AT+CMGS=的16進制ASCII碼加上通信對方手機號碼的16進制ASCII碼，且主機向GSM模塊發(fā)送1條命令后，必須以1個回車符和換行符作為該條指令的結束。當界面GUI的按鍵按下后，調(diào)用GSN相關函數(shù)，向上述設置好的號碼發(fā)送信息，發(fā)送成功后，返回一個發(fā)送成功的指令。

3.3 GPS定位模塊軟件設計

程序進入定位模塊時，先將串口初始化，設置波特率。GPS數(shù)據(jù)的處理包含兩個部分，一部分是對GPRMC數(shù)據(jù)的解析處理；另一部分是對GPGGA數(shù)據(jù)的解析處理。在對GPRMC數(shù)據(jù)的解析時主要是定義了一個字符型變量ch，并判斷接收到的數(shù)據(jù)的第5個字符，如果第5個字符是C，在判斷定位狀態(tài)status是否等于A，如果等于則就將接收到的經(jīng)度、緯度、日期和時間信息進行字符轉(zhuǎn)換，及單片機將GPS接收機發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過軟件程序控制轉(zhuǎn)換成字符型數(shù)據(jù)。在對GPGGA數(shù)據(jù)的解析是也是定義了一個字符型變量ch，判斷接收到的數(shù)據(jù)的第4個字符，如果第4個字符是G，且定位狀態(tài)標志位status不等于“，”，那么單片機也將GPS發(fā)送來的海拔高度和水平面高度數(shù)據(jù)通過軟件程序轉(zhuǎn)換成字符型數(shù)據(jù)。并且將數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)域，通過調(diào)用GUI相關函數(shù)顯示。GPS數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

4 結論

為了測試防走失定位儀的準確性以及實際使用效果，測試過程中均是同測試者、同時間、血液均采于同一食指位置。可以看到，LCD上顯示系統(tǒng)檢測到的血氧濃度為96%（成年血氧濃度正常值是95%-100%之間）；脈搏數(shù)為83次/分（正常人脈搏數(shù)60-100次/分）；PM2.5及GPS定位參數(shù)都與單個檢測器上的數(shù)值一致且精度較高，“急救”報警正常。測試結果如圖9所示。通過對系統(tǒng)的整體性能測試，本系統(tǒng)所有模塊均能長時間的正常穩(wěn)定工作，各項性能指標均完全達到預期的設計要求并能方便地拓展其功能和應用，具有很好的實用價值。

【參考文獻】

[1]徐超，鄔志鋒.基于STM32的便攜式心電信號測量儀的設計[J].裝備制造技術，2012（1）：57-59.

[2]陳新.GSM數(shù)字蜂窩移動通信.1995[Z].

[3]張秀娟，程飛龍.基于STM32的便攜式生命體征監(jiān)護儀設計[J].電子技術應用，2013（11）：20-22.

[責任編輯：王楠]