基于Cortex-M4的便攜式求救儀設計

毛小波 ，庹先國 ，2，李懷良 ，2，劉 勇

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.西南科技大學 核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，綿陽 621010）

在當今這個競爭激烈的社會，迫于生活壓力，很多家庭都呈現這樣的現象：子女外出打工，家中只剩下老人和小孩，導致老人與子女的溝通較少。雖然各種智能手機已廣泛使用，但由于絕大多數老人文化程度不高，又因年老手腳不靈活，所以對手機的使用不是很方便，甚至有的老人不會使用。當老人獨自在家或在戶外時，如果突發險情，就會導致無法及時向外求救，從而造成生命危險。針對這種情況，本文從實際出發，提出一種利用GSM網絡技術和GPS技術實現老人緊急求救的方法。

1 儀器的總體設計及工作原理

儀器的結構框圖如圖1所示。整個儀器由以ARM Cortex-M4為內核的STM32F407單片機模塊、GPS模塊、GSM模塊、報警模塊、電源模塊、指示燈模塊、LCD顯示模塊以及按鍵模塊組成[1]。當老人獨自在家或行走在外時，如果老人突發險情，老人可以憑借隨身攜帶的求救儀及時向其子女及其周圍的人群求救。其實現原理為：老人按下儀器上的求救按鈕，此信號首先通過STM32F407模塊進行處理，經識別后轉換為相應的求救信號，然后通過RS232串口發送到GSM模塊，最后以短信的方式通過GSM移動網絡發送到子女的手機上。與此同時，STM32F407單片機會從GPS接收模塊中讀取老人出事的地點及時間，然后把定位信息發送到子女的手機上。這樣子女便可以在第一時間收到老人的求救信息，然后及時向相關部門尋求幫助，從而在第一時間救助老人。

圖1 儀器結構框圖Fig.1 Instrument structure diagram

2 儀器功能實現的硬件平臺

儀器功能得以實現，硬件設計是關鍵和基礎。本儀器主要集成了以下硬件模塊。

2.1 控制器

控制器模塊由微處理器及其時鐘電路、復位電路、濾波電路、在線調試電路等組成。為滿足設計要求以及考慮到儀器的優化與升級，本儀器采用ST公司生產的高性能、低功耗的32位CMOS單片機STM32F407VGT6作為主處理器。具有高達168 MHz的工作頻率，內置高速存儲器 （1 MB Flash，192+4 KB RAM）和豐富的通用I/O接口。單片機主要通過USART（通用同步異步收發機）端口與GSM模塊、GPS模塊進行通信，實現信號的發送與接收。

2.2 GPS接收模塊

應儀器功能設計的需要，本儀器采用型號為HOLUX M-9323的GPS接收模塊。由于其輸出方式為RS232串口輸出，所以在電路設計時，只需將STM32單片機的一個串口與其相應引腳相連接，GPS接收模塊將接收到的衛星數據存儲在接收緩沖器里，等待微處理器讀取數據。

2.3 GSM模塊

如圖2所示，本儀器采用的GSM模塊為TC35，STM32與GSM模塊之間采用串口通信方式，因為STM32的TXD和RXD是COMS電平，而GSM模塊的UART是TTL電平，所以在電路設計時，利用7407（TTL to CMOS）電平轉換芯片，實現單片機與GSM模塊間的電平轉換。由于TC35模塊[2]的RXD定義是相對單片機的，所以TC35的TXD相對單片機來說是接收端，故其連接方式為STM32的TXD與GSM的TXD0相連，STM32的RXD與GSM的RXD0相連，然后兩者共地。為獲取移動網絡，TC35中需集成SIM卡，SIM卡是整個GSM網絡中唯一確認用戶身份的設備。SIM卡有6個觸點，分別是VCC、RST、CLK、GND、VPP、IO， 它們與 TC35 的 CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCVCC、CCIO 引腳對應連接，其中VPP引腳可懸空或連接到CCVCC，本電路設計中VPP是連接到CCVCC的。

圖2 GSM模塊電路Fig.2 GSM module circuit

2.4 報警器模塊

在電路設計時，為儀器設計了報警電路，利用NPN型的三極管作為放大器，驅動揚聲器發音。一旦老人按下求救鍵，報警器立即報警，旨在幫助老人向外界發出求救信號。同時，也證明老人的求救信號發送成功。

2.5 LCD顯示模塊

本設計中使用的LCD顯示模塊為12864液晶顯示屏，除了用于顯示日期和時間，還可以顯示子女發來的短信內容。LCD與按鍵模塊配合使用，可以進行一些參數配置。

3 儀器電源電路設計

本儀器主要用到兩種電壓值：5 V和3.3 V。5 V為GPS模塊、GSM模塊、報警器模塊供電；3.3 V為STM32F407微處理器供電。考慮到使儀器能夠隨身攜帶及成本問題，目前主要采用GP公司的型號為4LR44的6 V電池作為總電源。為了獲得穩定的3.3 V和5 V電壓，電路中采用了低壓差、線性穩壓器LM1085和LT1129-5。電路設計如圖3所示。

其中 L1、L2、L3、L4為磁珠，主要作用是消除高頻干擾，C1、C2、C3、C4作為旁路電容和去耦電容， 主要濾除輸入、 輸出中的高頻噪聲，C01、C02、C03、C04為電解電容，起到濾波的作用。在大電容旁邊并聯一個小電容，其目的是降低高頻內阻。為了便于老人了解儀器的電量情況，在設計中利用LM393比較器做了一個比較電路，設置了一個可調的參考電壓，如果電量充足，大于參考電壓，則電量指示燈為綠色；如果電量不足，小于參考電壓，則電量指示燈為紅色。

4 儀器軟件設計

4.1 儀器功能實現流程

本儀器主要利用STM32微處理器讀取GPS接收器的值，然后通過發送AT指令控制GSM模塊，最后將求救信號以短信的方式發送到子女的手機上，子女收到老人的求救短信后，根據短信中所提供的地理位置，便可及時向當地120求救，以便在第一時間救助老人，其流程如圖4所示。

如果老人是因為不小心按下了求救鍵，造成誤報，可以使用儀器上的安全鍵向其子女說明情況，以避免造成子女不必要的擔心。程序的實現流程如圖5所示。

4.2 GSM-PDU短消息設置

STM32單片機與TC35模塊之間是通過AT指令進行交互通信的，通過使用正確的AT指令對TC35模塊進行初始化和短消息的收發設置。短消息的設置共有3種模式：TEXT模式、BLOCK模式和PDU模式[3]。目前BLOCK模式已不使用，TEXT模式只能發送英文短信，而PDU模式中英文短信都支持。在PDU模式中，短消息一共有3種編碼方式：即7-bit編碼，8-bit編碼，UCS2 編碼 （16-bit編碼）[3]。7-bit編碼用于發送普通的ASCII字符，最多可發送160個字符：8-bit編碼通常用于發送數據消息，最多可發送140個字符；UCS2編碼用于發送Unicode字符，最多可發送70字符[4]。本設計的短消息采用PDU模式下的Unicode編碼。

圖4 儀器功能流程圖Fig.4 Flow chart of Instrument function

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

例如，發送中文短信“老人有危險”到目的手機15828047459，則首先發送數據串AT+CMGF=0 （ 是回車符），延時一段時間，等待返回AT+CMGF=0 OK；然后發送數據串AT+CMGS=25 ，延時一段時間，等待返回AT+CMGS=25及 ASCII字符“＞”；最后發送 PDU 數據：00110 00D91685128087454F90008AA0A80014EBA67095 3719669x01a，接著會返回0011000D916851280874 54F90008AA0A80014EBA670953719669[5]。延時一段時間，如果返回+CMGS：XXX OK，則表明短信發送成功。對PDU數據串中各個數據域進行分析如表1所示。

表1 短消息數據的PDU格式Tab.1 PDU format of short message data

5 結語

本儀器設計的初衷是針對社會中的老人群體，尤其是那些子女長期不在身邊的老人或者是孤寡老人群體。他們需要這樣一種便攜式求救儀在身邊，以便及時向外界求救。經多次反復試驗表明：本儀器可以解決年邁的老人在遇突發事件時，難以求救的問題，而且其性能很好。本儀器與市面上的一些老人手機相比，其優勢在于：除了成本很低，人人都能承受之外，最重要的一點是其操作對于老人來講非常簡單，此外本儀器也可以用于聾啞人群體。所以，具有社會價值和應用價值。

[1] 陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2012，38（9）：138-140.

[2] 王曉輝.環基于GSM網絡的DCS遠程供水系統[D].太原科技大學，2008.

[3] 陳康偉，王建，鐘波.基于Cortex-M3的GSM短信報警系統設計[J].大眾科技，2012，14（5）：1-3，24.

[4] 劉世俊.基于GSM短消息的遠程呼救系統[J].電腦與電信，2008（8）：41-43.

[5] 劉濤，張春業，韓旭東，等.基于手機模塊TC35的單片機短消息收發系統[J].電子技術，2003，30（3）：36-38.