基于STM32的儿童防护报警系统的设计

曹亚煌

摘要：近年来，涉及儿童的安全事故时常见诸报端。儿童溺水、走失、车祸、拐卖等事件频发，儿童防护成为目前社会的一项热点问题。目前市场上针对儿童防护以智能手表、定位腕表等居多。但由于品牌杂，型号也不相同，价格方面差距也比较大。而大部分用户反馈这些产品存在质量差、定位信号不稳定、功能不完善、监护力不足、监护不实时等问题，与监护人的需求存在一定的差距。针对这一问题，本文提出了以STM32微处理器为控制核心、以GSM模块为无线传输终端、以GPS模块为信息采集终端，设计了一种儿童定位防护报警系统。通过此系统降低儿童安全事故的发生，能够为他们提供更为全面的监护。

关键词：STM32;GPS定位;GSM通信;儿童安全;监护;

据不完全统计，近年来我国每年有近20万儿童失踪。暑假期间，儿童溺亡事件也时有发生。随着社会的不断发展，儿童的人身安全防护尤为重要。监护人都希望能够随时随地掌握儿童的位置及安全状况，所以我们需要设计一种实用性定位监护设备来解决这个问题。目前，市场上的导航定位设备各式各样。但是大多都属于一种自身携带的设备，而无法获知监护对象的位置信息。卫星定位系统目前在我们生活中已广泛应用，而现如今通过GPS与GSM功能的整合装置在国内外已引发关注。监护人通过互联网，在手机上实现儿童位置信息的获取。本设计正是为满足这种社会需求所开展的，通过智能儿童防护系统的研究与设计解决以上社会问题，实现家长和孩子间的双向通信，进而加强对孩子的监护。

1、概念简介

1.1 STM32控制器模块

意法半导体（STMicroelectronics）集团成立于1987年6月，是世界上最大的半导体公司之一。自成立以来，ST的市场占有率遥遥领先。而STM32系列产品拥有超低功耗的内核处理器，所提供的的产品具有优越的节能性能。该产品优异的兼容性满足了开发设计人员的需求。

1.2 GPS模块

目前全球应用最广泛的定位系统是美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）。自上世纪70年代开始研发以来，已经具备海、陆、空全方位定位功能。随着科学技术的不断进步，在其精确度、覆盖面及方便灵活性上吸引了众多用户。

1.3 GSM模块

全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications），缩写为GSM，是迄今为止最为成功的全球性移动通信系统。自1982年开发至今已被100多个国家所采用，与之前的通信系统相比，其最大的不同是语音和信令实现了数字化。

2、总体方案设计

本文所设计的儿童定位防护系统主要由GPS定位模块、GSM通信模块和嵌入式微处理器模块三大部分组成。基于其耗能低、性价比高的设计思路。我们对市面上控制器进行层层筛选，通过详细的分析和比对。最终选择了ST公司的STM32芯片作为微控制器。

本终端利用STM32芯片的串行口中断功能，实时检测GSM模块信号。当GSM模块通过无线网络接收信息时，它将信息内容发送给微控制器。微控制器解码信息内容和发送信息的人的手机号码。如果是定位命令，则打开GPS接收功能，使用GPS模块接收卫星信号。当GPS接收不到信号时，系统会自动使用GSM模块实现基站定位，然后将定位信息传送给单片机，并通过相应的算法将卫星信号处理成我们日常生活中使用的经纬度格式，最后通过GSM模块将定位信息发送给发送方。

3、主要模块设计

3.1 STM32主控制器模块

系统主控制器采用MiniSTM32核心芯片，该芯片具有性能高、成本低、耗能低的优点。是专为嵌入式应用所设计的32位处理器，为了效率更高和整体协调性更好，设计中还采用了多项存储器处理技术及中断处理技术。其中还内置了多个SPI协议模块及高级定时器。

3.2 GPS模块

GPS模块采用ME2530A模块，将陶瓷天线置于内部，可增强其信号处理能力。通过模块及相同波特率的串行口与外部系统通信。该模块还需将接受到信息输出至单片机进行处理，该模块发送的数据可在单片机中设置波特率相同的串行口接收，并可通过NMEA-0183协议进行分析和处理，得到所需的定位数据、高度、时间等，

3.3 GSM模块

GSM模块采用国运公司生产的GA6模块。该模块具有完整的命令集接口，具有较广的通信范围。通信基本上可在有微弱手机信号的地方实现，性价比高。能够高效的实现数据传输功能、语音通话功能及短信收发功能。

4、服务器及终端设计

4.1 儿童端设计

该系统电路模块化设计包括：GPS定位模块、显示模块、报警模块、紧急求助模块、微处理器及辅助的控制电路等。

⑴采用MSP430F249微控制器芯片，它是一款具有RISC结构的处理器，功耗低、速度快等特点，适用于本终端。

⑵采用SIM928模块实现终端的GPS定位和GSM通信，该模块在软硬件上完全兼容旧版的SIM908，并且将GSM和GPS封装在一起，常用的组装技术为表面组装，这种方式可最大程度的降低电路的复杂程度，方便后期的性能调试，可以大大提高定位的准确度。

4.2 服务器端

服务器模块包括三个：用户模块、地图模块和实时轨迹模块。

⑴用户模块主要处理登陆、注册、初始化并加载相关的用户逻辑数据。

⑵地图模块主要处理网页地图数据管理，客户端区域信息的设置等。

⑶实时轨迹模块存储并处理终端上传的数据、接收客户端请求的数据并反馈等。

4.3 监护人端APP设计

监护人APP设置了三个模块：区域设置模块、定位模块和实时监控模块。具体方案如下：

⑴区域设置模块可以把儿童家庭住址及就读学校设置为安全区域。在去学校和返回家里路途中的某些繁华区域、治安较差区域及穿越马路等需要特别关注的区域，设置为危险区域。通过以上设置，可将位置信息发送至服务器，服务器经过处理后将信息发送至儿童终端。以此来判断所处区域并做出相应的提醒和推送。

⑵定位模块利用高德地图的API接口，利用高德地图的Android中的Demo来实现定位服务。

⑶实时监控模块将儿童的实时活动轨迹显示在地图中，终端实时将位置信息上传至服务器，监护人APP向服务器请求儿童的运动轨迹信息并将其显示在地图中。通过实时更新高德地图轨迹，实现实时位置监控。

5、结语

该项儿童防护报警系统将多项先进的信息技术进行整合，优化了目前市场上的相关产品存在的问题。为儿童安全防护系统的设计提供了可选方案。虽然实现了设计目标，但仍存在许多不足之处。例如：定位功能的偏差相对较大，即使在软件上采取了一定的矫正措施，但误差范围仍在10m左右。当在地势比较宽阔的地带精确度会更高一些。通过反复测算，发现数据并不是呈现線性变化，这就需要采用新的计算方法来解决这样的偏差问题。

参考文献：

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[2]  郭文晨，王长坤.基于GSM和GPS的跟踪定位装置的设计E.科技广场，2017：51-55.

[3]  周静雷，罗瑞丰等.基于STM32的数据采集存储系统[JL信息技术，2016，（8）：138-140.

[4]  姜日凡.基于STM32单片机和GSM技术的门禁系统[J].大连工业学报，2018（2）：67-69.

（作者单位：北方民族大学）