基于STM32的儿童管家设计

张潮城　奚维立　张敬博　陈景国

摘 要：介绍了一套能实时查看儿童位置、可语音通话、能在意外发生时及时报警并且能够为儿童学习提供帮助的电子监护设备。该系统以STM32为主控芯片，其主要功能包括儿童运动检测、GPS定位、GSM通信、体温检测、MP3播放、语音对话、查看信息以及APP实时定位查询等。

关键词：STM32；儿童管家；GSM通信；GPS定位

中图分类号：TP273 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.112

针对儿童的健康及安全问题，我们设计了一款电子监护设备，让父母可以随时随地通过手机APP关注孩子。儿童在父母不在身边的情况下，如果在路上遇到紧急情况，能够通过该产品及时报警以及通知父母。而且当孩子的体温状态异常时，父母能够第一时间知悉，同时也能够通过该产品与孩子实时通话。此外，父母还能够查看孩子所处的位置。同时，我们也开发了MP3播放功能，孩子可以使用我们的设备来收听音乐以及英语听力学习资料，为儿童的外语学习提供帮助。

我们所设计的儿童管家是一款能够实现监护人与儿童之间的智能交互，同时为儿童提供外语学习功能的多功能监护系统。市面现有的监护设备仅仅有通话功能和定位功能，基本上就是一部过时的手机，不够人性化也不够智能化。相比之下，我们所设计的监护设备不仅能够通话通信，还能够提供报警措施，加入多个附加功能，是一个功能全面的监护设备。

本文所提供的方案经验证可用，功能齐全且极具人性化。本系统采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32作为主控芯片，是一种利用运动检测算法，结合GSM、GPS以及物联网云平台，将位置上传到网络；制作配套的APP，以实时查询地图位置；自主开发的设备界面；具备通话通信功能；提供体温检测、异常报警等多功能的儿童安全监护系统。

1 儿童管家整体设计和原理

1.1 系统控制器

本系统采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32芯片来设

计，将整个系统的功能划分为GSM模块、GPS模块、ADXL345模块、热敏模块、光敏模块、OLED显示屏模块、MP3模块几个部分。其硬件设计架构如图1所示。

1.2 系统工作原理

1.2.1 GSM通信与GPS定位

系统采用SIM900A这款传统的GSM模块，通过串口通信来实现短信报警、体温异常短信通知、一键求救、通话等功能。

GPS通过串口与STM32通信，实时获取地点信息并通过GSM的网络功能将位置信息上传至云平台。我们能够通过手机APP来连接云平台，在地图上实时查看位置信息。

1.2.2 GPS-APP定位查询

如果想要使用手机实时获取儿童管家的位置，就必须联网获取地图信息，所以需要开发一个APP来完善其功能。该APP是基于中移物联网搭建的云平台开发的，可以在后台运行，通过联网获取地点信息并在手机客户端显示出确切的地图位置，方便追踪。当打开APP时，我们能够实时、准确地获取定位信息，显示其所在地图的位置。

1.2.3 ADXL345运动检测

运动检测功能通过STM32 I2C与ADXL345通信。

ADXL345是一个性能优良的三轴加速度传感器。本系统我们用ADXL345来作运动分析，设定一个加速度阈值，当超过设定的值时，就可以判断为运动，我们在后面会结合云平台，在APP中显示佩戴者的运动状态。

1.2.4 FLASH存储手机号码

STM32的FLASH有16～1 024 KB不同容量，但是用于存储手机号码已经足够。当接收到修改手机号码指令时，系统将会替换原来的手机号码。而当发送短信时，GSM会自动提取FLASH中的手机号码，从而发送短信到指定号码。

1.2.5 NTC热敏电阻温度检测

当人体皮肤接触热敏电阻时，热敏电阻阻值发生改变，同时引起电压改变，通过STM32内部的AD功能来检测电压，并通过一定的算法来计算实际温度值。

1.2.6 设备脱落检测

本功能通过光线感应器来判断设备是否脫落，用来确保佩戴者安全状态。儿童管家的对象是儿童，通过儿童在外有意外发生引起的设备脱落，系统会自动向监护人发送短信通知，以及时应对意外情况。

1.2.7 OLED显示屏

本系统的OLED主要是实现系统可操作界面，分别有手机号码、短信读取、温度、MP3播放模式、定位信息显示等。

1.2.8 MP3音乐播放

本系统提供的MP3播放器具有播放歌曲、调节音量、切换歌曲等功能，同时可以成为儿童英文学习的一大帮手。

2 儿童管家硬件平台设计

本系统主要涉及到的硬件部分包括STM32F103ZET6系列芯片、SIM900A、GPS、三轴加速度ADXL345、热敏电阻、TF卡、VS1053音频解码、OLED显示屏。

2.1 STM32F103ZET6系列芯片

STM32F103ZET6系列芯片有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、3个SPI、2个I2C、5个串口、1个USB、1个CAM、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口和112个通用I/O口。

2.2 SIM900A

通信芯片采用SIMCom公司的新型紧凑型产SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性能稳定、操作方便、性价比高，并且能够满足用户的多种需求。

本系统STM32单片机与SIM900A通过串口通信，实现短信的收发和语音通信。

2.3 NEO-6M-GPS

系统采用NEO-6M GPG专用芯片，通过串口搜星定位。模块自带参数存储、掉电保存功能，室外搜星能力好，定位精准，是一款合适开发的的GPS模块。

2.4 三轴加速度ADXL345

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技术的三轴、数字输出加速度传感器。ADXL345具有±2 g、±4 g、±8 g、±16 g可变的测量范围，最高13 bit分辨率，固定的4 mg/LSB灵敏度，3 mm×5 mm×1 mm 超小封装，40～145 μA超低功耗；标准的I2C或SPI数字接口，32级FIFO存储，以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性，使得ADXL345有助于大大简化运动检测算法，使其成为一款非常适合用于运动检测器应用的加速度传感器。

2.5 VS1053音频解码

VS1053是继VS1003后荷兰VLSI公司出品的又一款高性能音频解码芯片。该芯片可以实现对MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音频格式的解码，同时还可以支持ADPCM/OGG等格式的编码，性能相比以往的VS1003提升不少。

2.6 OLED显示屏

OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED由于同时具备自发光、不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异的特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。128×64的分辨率使得所设计的操作界面显得很清晰，在小型监护设备的设计上更可谓锦上添花。

2.7 电源部分电路

因该系统GPS与GSM模组正常工作电压为5 V，系统必须提供5 V的电源供应。为此，使用3.7 V锂电池升压提供5 V电源，保证各模组正常工作，电源设计合理、可靠。

3 儿童管家系统程序设计

整个系统的程序由Keil5软件设计编写，主要的函数有模块初始化、函数的调用等，比如OLED_Init（）、LED_Init（）等。模块化的程序使得程序总体显得整洁、美观，易于修改和查错。程序的设计思路建立于分时操作方式，通过定时器定时来分配工作。程序流程如图2所示。

4 结束语

经过测试，本系统按预期实现了各个相关功能。在经过多次的电路改进以及调试以后，电路设計上减少了各模块之间的干扰，改善过的模块化程序设计使得系统更加稳定。本系统与市面上的监护设备相比显得更加专业，在实现基础功能的情况下加入诸多附加功能，使得本系统更加完整、人性化，操作简单、使用方便、实用性高，而且在成本上也很有优势。这款关爱儿童的智能监护设备如果能够量产出来，相信会有良好的市场前景。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕