基于GPRS的物联网智能保险箱设计

王佳 张焕明 黎洋杰 吕浩轩 李海霞

编者按：文章提出了基于STM32F4架构下的物联网智能保险箱的设计方案。通过GPSR模块与阿里云平台达到物联网的效果，保险箱通信覆盖面积大且传输速度快，可以灵活应用于家庭保险领域。保险箱具有GPS定位、被盗报警、密码解锁、语音解锁等功能，相对于其他保险箱，该款保险箱安全性更强，尤其追踪找回效果更有优势。可通过Android手机App实现与保险箱的通信，实现物联网控制。

引言

随着物联网领域的发展和个人保密工具的需求日益提高，传统产品正在向智能化过渡，因此与物联网相关的智能化产品的发展即将越来越发达。

由于STM32系统强大的中斷机制，各模块如同多线程分布式独立工作，可根据需求将软件功能独立应用于各个模块的控制，从而使其拥有高度的灵活度，是应用于产品智能化的不二之选。而现有的保险箱几乎不包括网络功能，即使是专业的保险箱行业也是专注箱体架构强度，没有结合发达的物联网提出安全性能更高的保险箱，不管是安全性，还是操作性，传统的保险箱都不够理想。而结合物联网的智能保险箱在一定程度上，成本是更高的，但是安全性和操作性都达到了全新的高度，并且随着物联网的不断发展，工业进程的不断更新，其成本方面将会在今后不断降低，越来越为大众所接受。

本文的目的在于提供一种结合物联网的智能保险箱的原理框架与设计方案，突破传统保险箱设计，相对拥有更高的智能性。

保险箱系统功能设计

构成保险箱的硬件系统包括CPU：STM32F407ZGT6处理器，SIM800C GSM-GPRS模块（获取基站定位信息并网络上传阿里云平台），LD3320语音识别模块，8400mAH带充电器的锂电池，5V步进电机，ULN2003电机驱动板，红外扫描仪（开箱检测），矩阵键盘模块（实现密码解锁），盒子储物箱（演示用），小车底板以及车轮、螺丝钉、铜柱、杜邦线若干用于构造保险箱。除了零件外，需要一部智能Android手机来运行App检测系统，同时需要配置好阿里云平台相关设置，以便定位、开箱数据的接收。系统框图和功能框图如图1、图2所示。

通过GPSR模块的基站定位，获取保险箱的网络定位信息。通过红外扫描仪检测保险箱的开关状态，并将该信息发送给处理器，处理器再调用GPSR模块，将地理位置和开关状态一并发送到阿里云平台;通过矩阵键盘建立密码锁外设，当密码正确，外部中断，步进电机工作，打开保险箱;通过LD3320模块建立语音识别，当语音信息匹配时，外部中断打开，步进电机工作，打开保险箱;通过Andriod App获取GPSR上传的信息，并转换为地图显示位置和开关状态提示。

主要功能实现为软件硬件独立进行，软件负责监控硬件状态，硬件负责保险箱的运行。对密码锁进行开锁时，有两种开锁方式，语音识别与按键密码，当成功开锁时，触发红外扫描仪，CPU与GPSR模块通信，Andriod App上会将关闭状态更改为开锁状态。同时，App上的保险箱地理位置会在地图上显示，一旦被移动，App上的地理位置将会随着移动，以便被盗后报警追回。

保险箱系统结构设计

智能锁设计

智能锁开关由步进电机外部中断控制，其步进电机外部中断是由处理器通过串口控制电机驱动模块驱动步进电机工作来实现的。其外部中断的途径有两种，一种是矩阵键盘输入密码引起外部中断;第二种是通过LD3320模块的语音识别引起外部中断。锁的本身是STM32处理的部分外设与机械装置的结合，参考图3智能锁的说明框图可知。

矩阵键盘开锁方式为按键密码，语音识别开锁方式为语音密码。

LD3320语音识别

LD3320模块是一个比较完整的模块，容易嵌入在一些含有串口功能的产品中，虽然是非特定语音识别，但是也足够采用比较生僻的语音密码来防止盗窃，模块自带MCU，底层有驱动和生成帧格式通信，具有体积小、反应速度快、识别灵敏、识别率高等优点，同时性价比也非常高。语音识别结果直接通过串口输出，故直接与STM32串口相连，完成语音控制开关。

红外扫描仪

本设计采用的红外传感器没有特殊要求，市场上也有许多的光敏和红外传感器，在这里主要是检测是否箱子的顶盖被打开。

步进电机与电机驱动模块

由于STM32处理器作为控制处理器，理论上功率不允许直接搭载一个电机模块，所以电机驱动模块同样也需要接电源。该部位作为保险箱的开关，如图3所示，由电机转动时，可以将焊接在电机上的一定长度和强度金属棒转动一定角度，使保险箱在这种机械结构下，可以开启箱体。

GPRS模块

本设计采用的是SIM800C GSM-GPRS模块，GPSR是分组无线业务的简称，能提供比GSM网9.6kbit/s更高的数据率，采用与GSM相同的频段，频带宽度，突发结构无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。本设计中，GPSR模块需要另外加电源供电，主要完成功能为与CPU通信，通过MQTT协议上传信息至阿里云，为Andriod App调用。

软件设计

本设计使用Android Studio、SDK开发，主要使用了map地图组件以及串口编程技术，利用MQTT协议进行云数据的实时接收。由于阿里云平台是使用固定IP，所设计的Andriod App需要使用外网，登陆后台，获取云数据。

结语

本设计主要以嵌入式技术结合物联网技术设计了一种结合STM32、GPRS、步进电机、红外扫描仪、LD3320等设备的物联网智能保险箱，极大地加强使用的操作性和安全性，促进智能保险水平的提高，满足日益增长的安全隐私保险的需求。

参考文献：

[1]张逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J].自动化技术与应用，2011，30（08）：98-101.

[2]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]龙辉，胡洪波.一种层级式智能保险箱系统的设计与实现[J].湖南工程学院学报（自然科学版）.2015，25（04）：44-46，86.

[4]陈丽楠.可移动保险箱GPS智能锁控防盗技术研究[D].东北石油大学，2015.

[5]何烨，赵鲁阳，王营冠.基于无线传感器网络智能保险箱安防系统的设计[J].现代电子技术，2013，36（12）：137-142.

第一作者：王佳（1997—），广东揭阳人，学生，现就读于佛山科学技术学院，主要从事嵌入式方向研究工作。