基于STM32的智能兒童防拐系統的研究與設計

古丹 方忠文 胡敏 王旭龍 胡俊杰

摘 要：隨著近年來兒童走失事件頻發，國家、學校及家庭都越來越重視兒童出行安全問題，因為每個失蹤事件背后都有一個破碎家庭。文章研究并設計了一款以STM32為控制平臺，結合GPS模塊、GSM模塊、LCD模塊等元器件，以及Android客戶端APP為一體的智能兒童防拐追蹤定位系統。系統分防拐器端和APP端，防拐器端提供了一鍵發送定位、一鍵撥打電話、顯示信息、記錄移動路徑等功能。APP端則可通過點擊一鍵追蹤按鈕獲得防拐器端的經緯度坐標，并將坐標在百度地圖上定位并導航。通過此系統能降低兒童在無大人陪伴時外出走丟的風險，為他們提供更為全面的監護。

關鍵詞：STM32；GPS定位；GSM通信；兒童防拐；Android客戶端

據公安部最新數據顯示，近年來我國每年有近20萬兒童失蹤。盡管從新中國成立以后，我國對拐賣婦女兒童現象進行了幾次專項打擊，但拐賣兒童現象卻是越來越嚴重，具體分析起來有以下幾個特點：從個人分散作案，到集團化拐賣兒童。從一個人拐了孩子后直接找買家到現在拐運銷一條龍，甚至出現了一些專門批發被拐兒童的人販子，從境內作案發展到跨國作案，從單純的拐孩子傳宗接代到強迫孩子做非法盈利活動，拐賣手法也從單純的偷，發展到明搶明奪，甚至為了拐賣兒童出現殺害兒童親人的惡性案件[1]。

現今整合GPS與GSM的追蹤定位裝置在國內外也逐漸成為風潮，針對兒童的智能手表、老人的防丟手環之類的產品也層出不窮。若發生協尋事件時，家人透過GSM聯系追蹤器，追蹤器會自動由發射器送出 GPS定位訊號，于手機或網絡地圖上得知走失對象位置[2]。本項目正是順應這社會發展需求而開展的，通過智能兒童防拐系統的研究與設計解決以上社會問題，實現家長和孩子間的雙向通信，進而避免孩子的丟失。

1 總體方案設計

1.1 系統工作方式

該系統防拐器端正常工作時，GSM模塊處于激活狀態，GPS模塊持續搜索衛星并獲取定位信息，通過STM32單片機編程處理，在LCD屏幕上顯示GPS定位信息及時間、GSM狀態等信息。當一鍵求助按鍵被按下時，經STM32單片機處理，將防拐器當前GPS定位經緯度信息通過GSM模塊發送短信到系統內置指定號碼，APP端通過提取短信經緯度數據，調用百度地圖SDK進行定位并導航至防拐器所在位置。當APP端手機點擊一鍵追蹤按鈕時，防拐器端接收指令，并經STM32單片機判斷指令是否為系統設定指令，是則將防拐器當前定位經緯度信息發送至APP端。防拐器端還按指定時間間隔自動保存其移動的位置信息至SD卡中，后期可通過PC端查看防拐器所經過的路徑，方便查看兒童的活動軌跡。

1.2 系統總體設計

本設計所使用到的模塊和輔助工具有STM32主控制器、GPS模塊、GSM模塊、SD卡模塊、LCD液晶屏、電源、PC機、Android手機軟件開發平臺Android studio等。系統工作方式分析設計總體結構框如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 STM32主控制器模塊

本系統主控制器使用了正點原子公司的MiniSTM32開發板，核心芯片為STM32F103RCT6，具有專門性、高性能、低成本、低功耗的特點，是嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3 32位處理器。為使運行效率更高，總體協調性更好，設計中也使用到了直接內存訪問（Direct Memory Access，DMA）處理技術和多個中斷處理。內部結成2個SPI協議模塊，12通道DMA控制器；多達11個定時器，其中高級定時器有兩個；STM32F103RCT6工作頻率為72 MHz，具有單周期乘法和硬件除法，內置高速存儲器（高達256 kB的閃存和48 kB的SRAM），有豐富的增強I/O端口[3-4]。

2.2 GPS模塊

GPS模塊使用的是ME2530A模塊，該模塊采用MTK GPS單芯片MT3329，內置陶瓷天線增強其信號接收能力，支持NMEA-0183通信協議，模塊通過TTL電平或者是同波特率的串口與外部系統連接通信，常用和支持的串口波特率有4 800、9 600（默認）、19 200、38 400、57 600、115 200等幾種，兼容絕大多數的單片機系統。該模塊接收到的GPS信息用過TTL電平輸出，單片機處理方便，在單片機設置相同波特率的串口即可接收模塊傳送的數據，利用NMEA-0183協議解析處理，從而得到想要的數據，如定位數據、海拔、時間等。NMEA-0183協議采用ASCII 碼來傳遞GPS 定位信息， 幀格式形如：$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh（CR）（LF），“$”為幀命令起始位、“aaccc”為地址域、“ddd…ddd”為數據、“*”為校驗和前綴（也可以作為語句數據結束的標志）、hh：校驗和，$與*之間所有字符ASCII 碼的校驗和、（CR）（LF）：幀結束，回車和換行符。

2.3 GSM模塊

GSM模塊采用果云公司生產的GA6模塊，該模塊通信范圍廣，基本上在手機可以打電話的地方均可實現通信，性價比高，相對于SIM系列的模塊價格只有其一半，大大降低使用成本。模塊有完整的AT指令集接口，GSM無線接口，支持中英文短信的發送。它可以快速、安全可靠地實現系統的數據傳輸、語音通話和短信息的發送接收。本系統主要采用此模塊的語音傳輸和短消息服務功能。GSM系統的短消息通信需要通過SIM卡來實現，SIM卡卡座有兩種，一種為8引腳，一種為6引腳。這里選用了最常見的6引腳SIM卡卡座。SIM卡卡座的接口電平由GSM模塊內部電壓穩壓器提供，正常電壓值為3.3 V，復位后所有引腳為低電平[5]。本設計通過單片機設置相同波特（模塊默認波特率115 200）串口與GA6模塊實現通信，GA6模塊具有標準AT指令接口，可以提供GSM 語音、TTS、短消息以及TCP/IP 數傳。

2.4 LCD模塊

本設計加入了一個2.8寸LCD顯示模塊，為方便使用者查看時間、定位是否成功、數據是否正確接收與發送。該模塊為正點原子公司開發的TFTLCD液晶顯示器，分辨率為320×240、16位真彩顯示、自帶觸控。其驅動芯片為ILI9341，該控制器自帶顯存，顯存大小172800。本設計主要是通過STM32的普通IO口模擬8080總線來控制LCD的顯示。該LCD模塊采用16位并口方式與單片機連接，本設計中主控制器為64引腳的STM32單片機，雖然LCD模塊16位并口方式占用著單片機大部分IO口，但在本設計中并不需要大量IO口輸出，并且彩屏輸出數據量較大，16位比普通8位處理速度快了一倍以上，有較好的顯示效果的同時，保證了數據更新的響應速度。

3 系統軟件設計

3.1 防拐器軟件設計

整個系統軟件設計編程均在Keil uVision5開發環境下使用C語言編寫。首先對STM32內部進行初始化設計，GPS模塊、GSM模塊分別使用了串口1和串口2，串口初始化后檢查是否單片機與模塊間是否正常通信，等待至正常通信后進入主循環程序。正常情況下，系統持續接收更新GPS定位數據，并將數據按照設定好格式存儲至SD卡中，LCD屏幕也會一直顯示GPS定位數據和定位時間以及GSM信號質量等信息，如果定位未成功，經緯度數據為0。之后判斷求助按鍵是否按下或是否接收到短信，若按下求助按鍵則發送當前位置信息至系統預設手機號碼中，若接收到短信，則判斷是否為系統預設指令，是則發送位置信息至發送短信方的手機號碼中[6]。防拐器總程序流程如圖2所示。

3.1.1 GPS定位解碼

GPS模塊接收的并非只有經緯度，還有海拔、速度、時間、衛星狀態等數據，如果直接從串口接收數據判斷解碼數據流過大，所以使用了GPS模塊的NMEA-0183協議解碼。NMEA-0183協議標準的輸出數據采用的是ASCII碼，GPS數據具有6種不同的數據類型，包括 $GPGGA，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，$GPGLL，$GPZDA等。本設計主要使用了$GPRMC命令，即推薦定位信息命令，其中主要解碼使用了UTC時間、經緯度、GPS狀態、定位衛星數等。

根據$GPGGA語句基本格式，通過簡單地判斷“，”位置，即可將語句每個數據提取出來，并將字符串轉換為整型數字，方便經緯度計算轉換。緯度提取的程序如圖3所示，其他數據提取類似。

NMEA-0183協議下的數據提取還是相對容易實現的，NMEA_GPRMC為提取$GPRMC語句函數，先通過字符串處理函數strstr函數提取包含GPRMC的語句到p1指針，從$GPRMC語句基本格式可得知緯度數據在語句的第3個位置，通過判斷逗號位置并返回指定位置數據，最后將緯度數據返回到posx變量中。

3.1.2 GSM遠程通信

GSM模塊軟件設計上主要是通過AT指令控制數據的收發，GA6的AT指令種類繁多，本設計主要使用撥號、短信、查詢等相關的AT指令。短信發送指令，也能明確指令發送成功后返回的信息，先是設置短信模式，通過AT+CMGS=“ “（引號內為接收方手機號碼） 指令發送短信，GA6模塊返回“>”符號后即可鍵入短信內容，發送成功則返回“+CMGS：”。所以通過串口發送指令，再判斷GA6返回的信息即可完成短信的發送，發送短信程序設計如圖4所示，其他AT指令類似。

3.1.3 定位數據存儲

本設計定位數據存儲在SD卡中，主要是用文件系統FatFs來實現的。使用FatFs文件系統的好處就是使用者并不需要了解其復雜的編程協議，FatFs Module庫提供了ff.c，ff.h，使用時直接將頭文件寫進源程序中即可調用應用接口函數，如f_write，f_read，f_open，f_close等函數，操作也相對簡單，但在操作之前需做好SD卡的驅動工作及初始化。

系統設置為3 s左右存儲一次經緯度數據，先f_open打開創建Gps.txt文件，指定為寫入數據。使用sprintf函數強制轉換數據格式，把數據格式放入緩沖區buff，之后使用f_lseek移動寫入指針，保證數據不被覆蓋掉，然后利用f_write函數將文件寫入SD卡中，最后f_close關閉文件。具體數據存儲程序設計如圖5所示。

3.2 Android客戶端軟件設計

客戶端APP主要完成接收到經緯度信息后，軟件能夠完成提取防拐器發來的短信。提取短信使用content Resolver類監聽數據庫的內容發生的變化。Content Resolver類我們稱之為內容解析器，目的是為了根據特定的Uri查找系統的信息，進而做出相應的處理。Uri是標識、定位資源的字符串。當我們發送一條短信到該手機上時，手機會自動調用內容解析器中的指定方法，通知我們的代碼，短信發生變化，然后讀取短信的內容，將我們需要的短信內容提取出來。然后軟件調用百度地圖SDK，使用百度地圖服務應用接口，實現定位導航功能。百度地圖SDK使用Java語言，為用戶提供了豐富的功能接口，有免費使用、開發周期短、維護成本低等優點，非常適合防拐器手機APP的設計與開發。

4 結語

經系統測試，基本完成了預期的目標，使用者帶著遠程追蹤器外出時，監控者只需發送給系統預設的短信指令，就可接收到使用者當前位置鏈接，并在手機內置地圖中顯示。并且該系統針對兒童操作方便，一鍵撥號、一鍵發送定位功能均可實現。并且系統自動保存路徑數據至SD卡中，監護者通過電腦上的MissionPlanner軟件即可查看到使用者經過路徑。

雖然基本上完成了預期目標，但該設計還存在很多不足的地方，如定位數據存在一個固定偏差，雖然在軟件設計上已經做了定點漂移矯正，但還存在不足。定位誤差大概在10 m左右，但在同一個地方定位時間越長或地理位置較為寬闊的情況下，定位更加精確，而且數據的變化不是線性的，這就需要更加合適的算法去解決這樣的偏差問題。

[參考文獻]

[1]石破.張寶艷：盼寶貝都回家[J].南風窗，2011（1）：57-60.

[2]李勇.我國車載GPS系統的應用現狀與發展前景[J].合肥學院學報（自然科學版），2008（1）：67-69.

[3]宋維.一種基于STM32的SMS短消息收發系統[J].電腦知識與技術，2012（20）：4800-4802.

[4]董建勛.基于GPS和GSM短消息的定位裝置的設計[D].太原：中北大學，2011.

[5]姜日凡.基于STM32單片機和GSM技術的門禁系統[J].大連工業學報，2015（2）：67-69.

[6]龔虹瑞，黃小莉.具有鬧鐘和短信提醒功能的智能藥盒設計[J].西華大學學報（自然科學版），2014（5）：91-94.