基于STM32單片機(jī)的智能寵物穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)

劉超++史宏鑫++朱嘉樂++胡智紅++鄧鵬

摘 要 隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于生活的智能化要求越來(lái)越高，各種智能設(shè)備開始走進(jìn)大眾家庭之中。智能寵物穿戴設(shè)備也逐漸進(jìn)入了人們的視野。在國(guó)外已經(jīng)有相關(guān)的智能寵物穿戴設(shè)備出現(xiàn)了，對(duì)于這個(gè)想法，本文設(shè)計(jì)的智能寵物穿戴設(shè)備通過(guò)STM32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于GPS和GPRS的遠(yuǎn)程定位，同時(shí)也可以通過(guò)藍(lán)牙來(lái)獲取近程的經(jīng)緯度信息實(shí)現(xiàn)定位的功能。

【關(guān)鍵詞】STM32單片機(jī) 穿戴設(shè)備 定位技術(shù) GPRS通信

近年來(lái)隨著人們生活水平的提高，飼養(yǎng)寵物的家庭越來(lái)越多，寵物可穿戴設(shè)備成為當(dāng)前一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。早期由于技術(shù)水平的限制以及硬件成本過(guò)高，可穿戴設(shè)備一直處于實(shí)驗(yàn)階段。本文提出了一種基于STM32單片機(jī)控制的寵物穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括GPS定位、音樂播放、藍(lán)牙無(wú)線控制以及遠(yuǎn)程的GPRS控制獲取定位信息等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是由設(shè)備端和手機(jī)端一起構(gòu)成的。其中設(shè)備端由STM32單片機(jī)芯片、藍(lán)牙模塊HC06、GPS定位模塊、GPRS通信模塊以及音樂播放模塊組成。在目前的通信領(lǐng)域中，主要有藍(lán)牙、紅外技術(shù)以及2.4G無(wú)線通信技術(shù)。但是紅外和2.4G模塊控制架構(gòu)復(fù)雜，需要結(jié)合上位機(jī)。紅外與設(shè)備通信起來(lái)還是比較困難的，容易受阻。而現(xiàn)在智能手機(jī)普及，藍(lán)牙則 是比2.4G無(wú)線通信更加方便的技術(shù)。本系統(tǒng)中的音樂模塊是為了娛樂實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。系統(tǒng)總體整結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

手機(jī)作為人機(jī)交互終端，在本系統(tǒng)中手機(jī)無(wú)論是在近程和遠(yuǎn)程都可以起到控制的作用。藍(lán)牙的作用是近程通信，在近程可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙于設(shè)備進(jìn)行連接。控制音樂模塊，也可以通過(guò)GPS獲取經(jīng)緯度。遠(yuǎn)程控制是主要是通過(guò)GPRS短信收發(fā)模塊來(lái)獲取設(shè)備的地理位置信息。獲取經(jīng)緯度之后可以通過(guò)手機(jī)的定位軟件，就可以查詢到設(shè)備所在的位置。在移動(dòng)終端的藍(lán)牙測(cè)試軟件中，搜索可連接的設(shè)備，然后移動(dòng)終端會(huì)自動(dòng)的搜索到這個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，通過(guò)進(jìn)入系統(tǒng)之后設(shè)備會(huì)提示輸入密碼。本設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)置密碼，提高了設(shè)備的安全性。輸入正確的密碼后，才可以開始進(jìn)行相關(guān)的操作。在測(cè)試軟件中需要輸入先關(guān)的指令碼，設(shè)備就可以執(zhí)行相關(guān)的功能。其中指令碼有：MON（音樂播放）、MOFF（音樂暫停）、GPS（獲取經(jīng)緯度信息）以及MGINFO（設(shè)備通過(guò)短信的方式返回經(jīng)緯度信息）。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)以STM32F103 作為控制核心，STM32F103是具有超低功耗的 ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。最高工作頻率可達(dá)72MHz，片上集成512KB的Flash存儲(chǔ)器。STM32F103具有五個(gè)串口，由于本項(xiàng)目涉及到的串口比較多，STM32的性能也比較強(qiáng)大，特別適合智能寵物穿戴設(shè)備的控制。

2.1 藍(lán)牙接口電路簡(jiǎn)介

本設(shè)備采用的是藍(lán)牙HC-06模塊，適用于近程通信任務(wù)。如果藍(lán)牙協(xié)議直接對(duì)字符進(jìn)行操作，程序的移植性能會(huì)比較差。但是HC-06模塊提供了串口，使得STM32與藍(lán)牙模塊連接更加便利，開發(fā)者不再依賴于對(duì)于固定字符的編碼，從而更加靈活的應(yīng)用藍(lán)牙。只要通過(guò)單片機(jī)控制串口就可以輕松的操作藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)功能，圖如2所示。

移動(dòng)終端通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送了相應(yīng)的指令碼給設(shè)備之后，藍(lán)牙會(huì)將接收到的指令碼，通過(guò)串口將受到的指令碼發(fā)送給STM32F103單片機(jī)，單片機(jī)串口接收到指令之后，對(duì)指令進(jìn)行判斷然后再實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。

2.3 音樂電路設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用的音樂模塊的核心芯片是MY2490-24SS，這個(gè)主控芯片支持多種格式的音樂播放，如：MP3、MAV等。該模塊支持32G內(nèi)存擴(kuò)展，方便用戶自行下載音樂；該模塊支持24位DAC輸出，動(dòng)態(tài)范圍支持95dB，使得播放出來(lái)的音樂質(zhì)量更高。這個(gè)芯片與外界通信的方式是通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行的，STM32單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送字符串給MY2490-24SS芯片之后，芯片判斷字指令是否正確，如果沒錯(cuò)則執(zhí)行該字符串對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的代碼。在這個(gè)模塊上外接一個(gè)喇叭設(shè)備，然后就可以播放音樂了。以及通過(guò)控制藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)音樂的播放和暫停，以及控制音量的大小和切換音樂。

2.4 GPS通信電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中GPS定位技術(shù)是通過(guò)NEO-6M UBLOX模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用軍事以及很多的民用行業(yè)中。此模塊具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求與個(gè)人消費(fèi)需要。這個(gè)設(shè)備定位的需要比較長(zhǎng)的一段時(shí)間才有信號(hào)，但是這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)于設(shè)備的影響不是太大。動(dòng)物一般都會(huì)在室外活動(dòng)，所以定位起來(lái)也相對(duì)容易。同樣的，這個(gè)模塊與外界通信也是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于GPS的陶瓷天線接收的信號(hào)不夠強(qiáng)，不能夠進(jìn)行定位，GPS模塊還有相應(yīng)的天線來(lái)增強(qiáng)GPS模塊的定位信號(hào)。

在這個(gè)設(shè)備中，STM32單片機(jī)接收到請(qǐng)求GPS定位信息之后就會(huì)通過(guò)串口與GPS模塊通信，GPS模塊定位獲取定位消息之后再將定位消息通過(guò)串口發(fā)送給STM32，STM32接收到將數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS模塊，最終GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶的手機(jī)上?；蛘逽TM32將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙模塊，通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶的客戶端上，即可獲取設(shè)備的準(zhǔn)確位置信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，設(shè)備上電之后首先由STM32微控制器對(duì)其串口進(jìn)行初始化、由于有多個(gè)串口，對(duì)相應(yīng)的串口的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行配置，將高優(yōu)先級(jí)的模塊接到高優(yōu)先級(jí)的串口上，然后配置先關(guān)的串口事件處理函數(shù)。此時(shí)設(shè)備的STM32便可以通過(guò)藍(lán)牙接口和GPRS接口接收相關(guān)的指令，判定指令為有效指令之后將相關(guān)的內(nèi)部指令通過(guò)串口發(fā)送給相應(yīng)的模塊，模塊便可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。系統(tǒng)會(huì)在這里進(jìn)行一個(gè)循環(huán)，一直判斷是否接受到了指令，然后對(duì)指令進(jìn)行相關(guān)的處理。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

將設(shè)備放置在室外，在不同的場(chǎng)景下對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試的時(shí)候在GPS定位的時(shí)候需要等待一段時(shí)間。之后就可以靈活使用了，但是在實(shí)際的使用過(guò)程中這段時(shí)間對(duì)于戶的影響不大，這段時(shí)間的影響是可以忽略的。之后就是通過(guò)手機(jī)端中的藍(lán)牙調(diào)試助手，連接到藍(lán)牙，連接上設(shè)備之后設(shè)備會(huì)提示輸入密碼。在密碼正確的條件下，才可以進(jìn)行操作。在密碼正確的條件下輸入MON，設(shè)備會(huì)開始播放音樂；輸入MOFF，設(shè)備會(huì)停止播放音樂（對(duì)于音樂模塊還有很多功能可以開發(fā)）。需要獲取GPS定位信息時(shí)只需要發(fā)送GPS。這樣設(shè)備就會(huì)進(jìn)行定位，然后將定位消息通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到用戶的手機(jī)上。用戶需要將短信中的經(jīng)緯度輸入到手機(jī)中的定位器中，然后獲取設(shè)備所在的位置。也可以通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送指令GPS.給設(shè)備。然后將手機(jī)就會(huì)收到關(guān)于經(jīng)緯度的短信。MGINFO.是在藍(lán)牙連接時(shí)發(fā)送短信給用戶手機(jī)的，如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本設(shè)計(jì)中通過(guò)STM32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了寵物穿戴設(shè)備的GPS以及GPRS的遠(yuǎn)程定位功能，使用者可以實(shí)時(shí)的掌握寵物的位置信息。同時(shí)本設(shè)計(jì)也提供了藍(lán)牙接口，以便用戶近程控制設(shè)備播放音樂，以及獲取GPS數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)可以解決用戶關(guān)于寵物丟失的煩惱，同時(shí)為用戶提供了一部分娛樂的功能，滿足人們對(duì)于娛樂的需求。

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作者單位

荊楚理工學(xué)院 湖北省荊門市 448000endprint