基于STM32的智能兒童防拐系統(tǒng)的研究與設(shè)計

古丹 方忠文 胡敏 王旭龍 胡俊杰

摘 要：隨著近年來兒童走失事件頻發(fā)，國家、學校及家庭都越來越重視兒童出行安全問題，因為每個失蹤事件背后都有一個破碎家庭。文章研究并設(shè)計了一款以STM32為控制平臺，結(jié)合GPS模塊、GSM模塊、LCD模塊等元器件，以及Android客戶端APP為一體的智能兒童防拐追蹤定位系統(tǒng)。系統(tǒng)分防拐器端和APP端，防拐器端提供了一鍵發(fā)送定位、一鍵撥打電話、顯示信息、記錄移動路徑等功能。APP端則可通過點擊一鍵追蹤按鈕獲得防拐器端的經(jīng)緯度坐標，并將坐標在百度地圖上定位并導航。通過此系統(tǒng)能降低兒童在無大人陪伴時外出走丟的風險，為他們提供更為全面的監(jiān)護。

關(guān)鍵詞：STM32；GPS定位；GSM通信；兒童防拐；Android客戶端

據(jù)公安部最新數(shù)據(jù)顯示，近年來我國每年有近20萬兒童失蹤。盡管從新中國成立以后，我國對拐賣婦女兒童現(xiàn)象進行了幾次專項打擊，但拐賣兒童現(xiàn)象卻是越來越嚴重，具體分析起來有以下幾個特點：從個人分散作案，到集團化拐賣兒童。從一個人拐了孩子后直接找買家到現(xiàn)在拐運銷一條龍，甚至出現(xiàn)了一些專門批發(fā)被拐兒童的人販子，從境內(nèi)作案發(fā)展到跨國作案，從單純的拐孩子傳宗接代到強迫孩子做非法盈利活動，拐賣手法也從單純的偷，發(fā)展到明搶明奪，甚至為了拐賣兒童出現(xiàn)殺害兒童親人的惡性案件[1]。

現(xiàn)今整合GPS與GSM的追蹤定位裝置在國內(nèi)外也逐漸成為風潮，針對兒童的智能手表、老人的防丟手環(huán)之類的產(chǎn)品也層出不窮。若發(fā)生協(xié)尋事件時，家人透過GSM聯(lián)系追蹤器，追蹤器會自動由發(fā)射器送出 GPS定位訊號，于手機或網(wǎng)絡(luò)地圖上得知走失對象位置[2]。本項目正是順應(yīng)這社會發(fā)展需求而開展的，通過智能兒童防拐系統(tǒng)的研究與設(shè)計解決以上社會問題，實現(xiàn)家長和孩子間的雙向通信，進而避免孩子的丟失。

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作方式

該系統(tǒng)防拐器端正常工作時，GSM模塊處于激活狀態(tài)，GPS模塊持續(xù)搜索衛(wèi)星并獲取定位信息，通過STM32單片機編程處理，在LCD屏幕上顯示GPS定位信息及時間、GSM狀態(tài)等信息。當一鍵求助按鍵被按下時，經(jīng)STM32單片機處理，將防拐器當前GPS定位經(jīng)緯度信息通過GSM模塊發(fā)送短信到系統(tǒng)內(nèi)置指定號碼，APP端通過提取短信經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，調(diào)用百度地圖SDK進行定位并導航至防拐器所在位置。當APP端手機點擊一鍵追蹤按鈕時，防拐器端接收指令，并經(jīng)STM32單片機判斷指令是否為系統(tǒng)設(shè)定指令，是則將防拐器當前定位經(jīng)緯度信息發(fā)送至APP端。防拐器端還按指定時間間隔自動保存其移動的位置信息至SD卡中，后期可通過PC端查看防拐器所經(jīng)過的路徑，方便查看兒童的活動軌跡。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計所使用到的模塊和輔助工具有STM32主控制器、GPS模塊、GSM模塊、SD卡模塊、LCD液晶屏、電源、PC機、Android手機軟件開發(fā)平臺Android studio等。系統(tǒng)工作方式分析設(shè)計總體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32主控制器模塊

本系統(tǒng)主控制器使用了正點原子公司的MiniSTM32開發(fā)板，核心芯片為STM32F103RCT6，具有專門性、高性能、低成本、低功耗的特點，是嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3 32位處理器。為使運行效率更高，總體協(xié)調(diào)性更好，設(shè)計中也使用到了直接內(nèi)存訪問（Direct Memory Access，DMA）處理技術(shù)和多個中斷處理。內(nèi)部結(jié)成2個SPI協(xié)議模塊，12通道DMA控制器；多達11個定時器，其中高級定時器有兩個；STM32F103RCT6工作頻率為72 MHz，具有單周期乘法和硬件除法，內(nèi)置高速存儲器（高達256 kB的閃存和48 kB的SRAM），有豐富的增強I/O端口[3-4]。

2.2 GPS模塊

GPS模塊使用的是ME2530A模塊，該模塊采用MTK GPS單芯片MT3329，內(nèi)置陶瓷天線增強其信號接收能力，支持NMEA-0183通信協(xié)議，模塊通過TTL電平或者是同波特率的串口與外部系統(tǒng)連接通信，常用和支持的串口波特率有4 800、9 600（默認）、19 200、38 400、57 600、115 200等幾種，兼容絕大多數(shù)的單片機系統(tǒng)。該模塊接收到的GPS信息用過TTL電平輸出，單片機處理方便，在單片機設(shè)置相同波特率的串口即可接收模塊傳送的數(shù)據(jù)，利用NMEA-0183協(xié)議解析處理，從而得到想要的數(shù)據(jù)，如定位數(shù)據(jù)、海拔、時間等。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII 碼來傳遞GPS 定位信息， 幀格式形如：$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh（CR）（LF），“$”為幀命令起始位、“aaccc”為地址域、“ddd…ddd”為數(shù)據(jù)、“*”為校驗和前綴（也可以作為語句數(shù)據(jù)結(jié)束的標志）、hh：校驗和，$與*之間所有字符ASCII 碼的校驗和、（CR）（LF）：幀結(jié)束，回車和換行符。

2.3 GSM模塊

GSM模塊采用果云公司生產(chǎn)的GA6模塊，該模塊通信范圍廣，基本上在手機可以打電話的地方均可實現(xiàn)通信，性價比高，相對于SIM系列的模塊價格只有其一半，大大降低使用成本。模塊有完整的AT指令集接口，GSM無線接口，支持中英文短信的發(fā)送。它可以快速、安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、語音通話和短信息的發(fā)送接收。本系統(tǒng)主要采用此模塊的語音傳輸和短消息服務(wù)功能。GSM系統(tǒng)的短消息通信需要通過SIM卡來實現(xiàn)，SIM卡卡座有兩種，一種為8引腳，一種為6引腳。這里選用了最常見的6引腳SIM卡卡座。SIM卡卡座的接口電平由GSM模塊內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器提供，正常電壓值為3.3 V，復(fù)位后所有引腳為低電平[5]。本設(shè)計通過單片機設(shè)置相同波特（模塊默認波特率115 200）串口與GA6模塊實現(xiàn)通信，GA6模塊具有標準AT指令接口，可以提供GSM 語音、TTS、短消息以及TCP/IP 數(shù)傳。

2.4 LCD模塊

本設(shè)計加入了一個2.8寸LCD顯示模塊，為方便使用者查看時間、定位是否成功、數(shù)據(jù)是否正確接收與發(fā)送。該模塊為正點原子公司開發(fā)的TFTLCD液晶顯示器，分辨率為320×240、16位真彩顯示、自帶觸控。其驅(qū)動芯片為ILI9341，該控制器自帶顯存，顯存大小172800。本設(shè)計主要是通過STM32的普通IO口模擬8080總線來控制LCD的顯示。該LCD模塊采用16位并口方式與單片機連接，本設(shè)計中主控制器為64引腳的STM32單片機，雖然LCD模塊16位并口方式占用著單片機大部分IO口，但在本設(shè)計中并不需要大量IO口輸出，并且彩屏輸出數(shù)據(jù)量較大，16位比普通8位處理速度快了一倍以上，有較好的顯示效果的同時，保證了數(shù)據(jù)更新的響應(yīng)速度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 防拐器軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件設(shè)計編程均在Keil uVision5開發(fā)環(huán)境下使用C語言編寫。首先對STM32內(nèi)部進行初始化設(shè)計，GPS模塊、GSM模塊分別使用了串口1和串口2，串口初始化后檢查是否單片機與模塊間是否正常通信，等待至正常通信后進入主循環(huán)程序。正常情況下，系統(tǒng)持續(xù)接收更新GPS定位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按照設(shè)定好格式存儲至SD卡中，LCD屏幕也會一直顯示GPS定位數(shù)據(jù)和定位時間以及GSM信號質(zhì)量等信息，如果定位未成功，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)為0。之后判斷求助按鍵是否按下或是否接收到短信，若按下求助按鍵則發(fā)送當前位置信息至系統(tǒng)預(yù)設(shè)手機號碼中，若接收到短信，則判斷是否為系統(tǒng)預(yù)設(shè)指令，是則發(fā)送位置信息至發(fā)送短信方的手機號碼中[6]。防拐器總程序流程如圖2所示。

3.1.1 GPS定位解碼

GPS模塊接收的并非只有經(jīng)緯度，還有海拔、速度、時間、衛(wèi)星狀態(tài)等數(shù)據(jù)，如果直接從串口接收數(shù)據(jù)判斷解碼數(shù)據(jù)流過大，所以使用了GPS模塊的NMEA-0183協(xié)議解碼。NMEA-0183協(xié)議標準的輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，GPS數(shù)據(jù)具有6種不同的數(shù)據(jù)類型，包括 $GPGGA，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，$GPGLL，$GPZDA等。本設(shè)計主要使用了$GPRMC命令，即推薦定位信息命令，其中主要解碼使用了UTC時間、經(jīng)緯度、GPS狀態(tài)、定位衛(wèi)星數(shù)等。

根據(jù)$GPGGA語句基本格式，通過簡單地判斷“，”位置，即可將語句每個數(shù)據(jù)提取出來，并將字符串轉(zhuǎn)換為整型數(shù)字，方便經(jīng)緯度計算轉(zhuǎn)換。緯度提取的程序如圖3所示，其他數(shù)據(jù)提取類似。

NMEA-0183協(xié)議下的數(shù)據(jù)提取還是相對容易實現(xiàn)的，NMEA_GPRMC為提取$GPRMC語句函數(shù)，先通過字符串處理函數(shù)strstr函數(shù)提取包含GPRMC的語句到p1指針，從$GPRMC語句基本格式可得知緯度數(shù)據(jù)在語句的第3個位置，通過判斷逗號位置并返回指定位置數(shù)據(jù)，最后將緯度數(shù)據(jù)返回到posx變量中。

3.1.2 GSM遠程通信

GSM模塊軟件設(shè)計上主要是通過AT指令控制數(shù)據(jù)的收發(fā)，GA6的AT指令種類繁多，本設(shè)計主要使用撥號、短信、查詢等相關(guān)的AT指令。短信發(fā)送指令，也能明確指令發(fā)送成功后返回的信息，先是設(shè)置短信模式，通過AT+CMGS=“ “（引號內(nèi)為接收方手機號碼） 指令發(fā)送短信，GA6模塊返回“>”符號后即可鍵入短信內(nèi)容，發(fā)送成功則返回“+CMGS：”。所以通過串口發(fā)送指令，再判斷GA6返回的信息即可完成短信的發(fā)送，發(fā)送短信程序設(shè)計如圖4所示，其他AT指令類似。

3.1.3 定位數(shù)據(jù)存儲

本設(shè)計定位數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，主要是用文件系統(tǒng)FatFs來實現(xiàn)的。使用FatFs文件系統(tǒng)的好處就是使用者并不需要了解其復(fù)雜的編程協(xié)議，F(xiàn)atFs Module庫提供了ff.c，ff.h，使用時直接將頭文件寫進源程序中即可調(diào)用應(yīng)用接口函數(shù)，如f_write，f_read，f_open，f_close等函數(shù)，操作也相對簡單，但在操作之前需做好SD卡的驅(qū)動工作及初始化。

系統(tǒng)設(shè)置為3 s左右存儲一次經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，先f_open打開創(chuàng)建Gps.txt文件，指定為寫入數(shù)據(jù)。使用sprintf函數(shù)強制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，把數(shù)據(jù)格式放入緩沖區(qū)buff，之后使用f_lseek移動寫入指針，保證數(shù)據(jù)不被覆蓋掉，然后利用f_write函數(shù)將文件寫入SD卡中，最后f_close關(guān)閉文件。具體數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計如圖5所示。

3.2 Android客戶端軟件設(shè)計

客戶端APP主要完成接收到經(jīng)緯度信息后，軟件能夠完成提取防拐器發(fā)來的短信。提取短信使用content Resolver類監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容發(fā)生的變化。Content Resolver類我們稱之為內(nèi)容解析器，目的是為了根據(jù)特定的Uri查找系統(tǒng)的信息，進而做出相應(yīng)的處理。Uri是標識、定位資源的字符串。當我們發(fā)送一條短信到該手機上時，手機會自動調(diào)用內(nèi)容解析器中的指定方法，通知我們的代碼，短信發(fā)生變化，然后讀取短信的內(nèi)容，將我們需要的短信內(nèi)容提取出來。然后軟件調(diào)用百度地圖SDK，使用百度地圖服務(wù)應(yīng)用接口，實現(xiàn)定位導航功能。百度地圖SDK使用Java語言，為用戶提供了豐富的功能接口，有免費使用、開發(fā)周期短、維護成本低等優(yōu)點，非常適合防拐器手機APP的設(shè)計與開發(fā)。

4 結(jié)語

經(jīng)系統(tǒng)測試，基本完成了預(yù)期的目標，使用者帶著遠程追蹤器外出時，監(jiān)控者只需發(fā)送給系統(tǒng)預(yù)設(shè)的短信指令，就可接收到使用者當前位置鏈接，并在手機內(nèi)置地圖中顯示。并且該系統(tǒng)針對兒童操作方便，一鍵撥號、一鍵發(fā)送定位功能均可實現(xiàn)。并且系統(tǒng)自動保存路徑數(shù)據(jù)至SD卡中，監(jiān)護者通過電腦上的MissionPlanner軟件即可查看到使用者經(jīng)過路徑。

雖然基本上完成了預(yù)期目標，但該設(shè)計還存在很多不足的地方，如定位數(shù)據(jù)存在一個固定偏差，雖然在軟件設(shè)計上已經(jīng)做了定點漂移矯正，但還存在不足。定位誤差大概在10 m左右，但在同一個地方定位時間越長或地理位置較為寬闊的情況下，定位更加精確，而且數(shù)據(jù)的變化不是線性的，這就需要更加合適的算法去解決這樣的偏差問題。

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