基于STM32的智能輪滑系統的硬件設計

莊垚　劉林真　彭井花

摘要：針對輪滑對運動場所的要求具有較高的標準，提出一種基于STM32的定位系統。通過集成GPS和GSM/GPRS的SIM928模塊實現對輪滑滑行的定位，后臺顯示滑行軌跡，記錄輪滑活動時間，獲取輪滑速度，配合智能輪滑APP，分享輪滑軌跡，分享室外方便進行輪滑運動的場地，分享輪滑的質量、價格性價比等。經測試，系統較好地實現以上功能，且運行穩定。

關鍵詞：智能輪滑；GPS模塊；GPRS模塊；SIM928

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0141-02

輪滑是流行的戶外運動，但想在戶外找一個適合輪滑運動的場地較難查詢，輪滑鞋價格從百元到千元不等，但是性價比怎樣，缺少實際用戶的真實評價，較多兒童也喜歡輪滑運動，而兒童安全意識薄弱，如何讓家長放心做到實時監管呢？為解決上述問題，提出了智能輪滑。智能輪滑不進行現有輪滑的改變，貼上硬件模塊，當輪滑開始滑行時，實時接收GPS的定位信息，并通過GPRS發給服務器，完成對輪滑運動各方位數據捕獲和保存，進行限速、限時，還原“滑行”軌跡。本系統適用于輪滑愛好者輕松的在戶外找一個適合輪滑運動的場地，輪滑初學者更有理智性去購買高質量輪滑鞋、兒童的安全問題更容易得以保障。

1 系統總體設計

本系統對于硬件的設計重點考慮單片機模塊、GPS模塊、GPRS模塊。單片機模塊采用由STM32F103RBT6，STM32含高性能ARM Cortex-M3 32位RISC內核，具有帶喚醒功能的低功耗模式和強大的庫函數。GPS、GPRS模塊采用SIM928模塊，SIM928是一款集成GPS導航技術的四頻GSM/GPRS模塊，準確定位<2.5米CEP。系統主程序流程圖如圖1所示。

主要完成如下功能：（1）GPS采集程序：等待定位燈閃爍，獲取定位信息，按照NMEA[1]協議對定位信息進行解析，獲取經緯度和速度參數。（2）GPRS數據傳輸：首先在PC機上建立好服務器，再利用手機卡注冊好網絡，去連接服務器對應IP和端口，進行數據發送。（3）報警處理程序：檢測到超速、超時，單片機相應的I/O口產生不同高電平信號，驅動報警模塊中的蜂鳴器工作，從而確認是超時還是超速。（4）信息檢索處理程序：檢索是否有信息，并檢查信息是否按照標準格式發過來，如果是，修改對應速度上限、時間上限的值。

2 硬件電路描述

本系統硬件部分主要包含4個模塊：主控模塊、MAX3232模塊、SIM928模塊、報警模塊；其中主控模塊又分為：電源模塊、串口模塊、顯示模塊；MAX3232模塊有三個，分別對應GPS、GPRS、STM32的TTL電平轉換為232；SIM928模塊有SIM卡模塊、電源模塊、串口模塊；報警模塊主要由蜂鳴器構成。主要實物如圖2所示。

2.1 SIM928模塊

SIM928的GPS外圍電路為在引腳11外接了PPS燈，因為引腳11是脈沖輸出引腳，可以判斷定位狀態，當PPS燈閃爍（1秒亮一秒滅）表示定位成功，常滅表示沒有定位。并且在進行GPS測試時，最好是在空曠的地方，否則需要在IPX-SMA轉接線外加天線，把黑面朝上，提高搜星速度。

SIM928的GPRS外圍電路分為串口模塊、SIM卡模塊。天線采用外接天線，不需要太強信號即可實現GPRS入網，通常不需要接入；在開始通信前，需要檢查模塊正常運行與否。插上SIM卡后查看LED指示燈狀態，如果網絡指示燈，1秒亮后接著3秒滅，常亮RING指示燈，也是表明模塊工作正常。備用電源采用的是CR1220，兩個模塊共用一個電池，也減少電路的復雜度。

2.2 報警模塊

報警模塊由外接無源蜂鳴器構成，該蜂鳴器模塊板載8550三極管驅動，低電平有效，可以直接和單片機I/O控制，工作電壓在5V，板子尺寸為22（mm）×12（mm）。檢索接收到的特定信息內容，例如“set0304”，提取后4位數據，進行對應速度、時間上限的刷新，再判斷是否超速、超時。超速的話，拉低對應蜂鳴器引腳1秒，拉高1秒，為報警模式1；超時的話，拉低引腳2秒，拉高1秒；同時超速、超時的話，就直接一直拉低蜂鳴器電平。

3 系統的實現

3.1 GPS信號解析

SIM928啟動后，等待GPS模塊的PPS燈閃爍，獲取得到衛星信號，然后STM32對GPS信息進行提取，提取過程分為2個步驟：

（1）STM32 與 GPS 模塊串口進行連接通信，獲取定位信息，得到的定位信息嚴格按照NMEA協議來傳輸，提取其中幀頭為$GPRMC的數據。（2）獲取到的數據格式如下：$GPRMC，字段0，字段1，字段2，字段3，字段4，字段5，字段6，字段7，字段8…字段12。這些數據主要有協調定位時間UTC、經、緯度Longitude、速度Speed、海拔Altitude、捕獲模式 Fix Mode等信息，按需獲取指定數據。其中，通過分析數據協議以及與自身系統的需求，本系統僅僅提取字段3、4、5、6、7，分別對應為緯度、經度、速度參數。

3.2 GPRS數據傳輸

SIM928與大多數GPRS模塊一樣，只需通過發送 AT指令就可建立TCP /IP連接來進行數據的收發[3]。當SIM928的GPRS模塊正常工作時，其RUN燈將2秒一閃，然后通過GPRS串口與STM32進行通信。

程序設計過程中需要注意，由于CPU響應較快，指令馬上會得到回復，AT指令本身也會傳到服務器，所以AT指令執行完，應給予較長的延時。

3.3 服務器搭建

為解決動態公網IP端口被屏蔽，無公網IP的問題，本系統使用新花生殼軟件，實現自己搭建服務器。在服務器創建時，分別打開網絡調試助手、新花生殼軟件。先在網絡調試助手里選擇協議類型、填寫端口號，點擊連接。接著在花生殼上進行添加映射，在編輯端口映射信息時IP地址和端口號必須要與網絡調試助手上的一樣，即可映射完成，最終得到外網訪問地址。檢查映射是否成功，可通過域名診斷來檢測。

4 硬件測試結果分析

將本系統應用到輪滑上，在操場上進行對定位 GPS 設備的接收、信號延時及成功率的測試和定位精確度測試。實驗結果表明設備通信延時低而且成功率高，能滿足一般的實時數據查詢要求[3]。圖3為向服務器發送的經緯度信息，前標的1代表為輪滑鞋的ID。

5 結語

根據智能輪滑的要求，提出了基于STM32的嵌入式GPS/GPRS定位系統，使用二合一的SIM928模塊，系統安全穩定，而且定位精準有效，用戶還可使用智能輪滑APP，查詢適合輪滑的場所、輪滑軌跡和輪滑俱樂部舉行的活動。雖然解決了上述問題，但還存在一些不足，比如：設備的體積有待改善、功耗還有所提升的空間、可增加語音模塊使其更加智能等。該系統可以考慮采用MSP430系列單片機，并移植UC/OS-II 操作系統，將系統劃分幾個并行存在的任務，再根據任務的重要程度分配優先級，創建出功耗更低、運行更流暢的系統[4]。

參考文獻

[1]斯亮.嵌入式 GPS/GIS 導航系統的研究與設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[2]陳維維.嵌入式無線定位追蹤系統的技術研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[3]黃勇.基于STM32的車載GPS/GPRS定位系統設定[D].上海：上海理工大學，2017.

[4]任哲，房紅征，曹靖.嵌入式實時操作系統 UC＼OS原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.