便携式多功能防走失定位仪设计

向诚　王广　何阳　袁清　蒲剑　曹聪

【摘 要】本文借助μC/OS-II系统，采用STM32微处理控制器，来设计多功能的走失定位仪的程序，并给出了详细的系统设计过程。该定位仪简单方便，且可监督使用者的身体状况，并且发出语言提示，同时还能检测PM2.5浓度、GPS定位和自动发短信求救等功能。

【关键词】STM32；μC/OS-II；定位；防走失；语言提示

0 引言

随着社会的发展，我国的人口老龄化越来越严重，老年人在过幸福而闲适生活的同时，越来越重视从物质生活到精神生活的转移，以及健康地锻炼身体上。然而，子女们因生活节奏的加快，都过着繁忙而又紧张的生活，时刻守护在老人身边变得十分困难，加上年事已高的老年人往往记忆力下降，且身患多种疾病，近年来，老人外出走失和老年人突发意外情况昏迷未能及时发现最终离世的情况屡见不鲜[1，3]。

基于这一现状，我们设计出一种移动安康通助老设备——基于移动终端的便携式防走失定位仪，该定位仪不仅具有移动定位、移动援助等特殊功能，利用网络优势帮助老人的子女及亲友随时确定老人所在的区域位置，也可以通过短信和拨打电话等方式通知老人的子女及亲友，并能对老年的常见身体健康参数等进行监控和语言预警等，同时还能对当天的环境参数进行检测和超标预警。

1 系统方案设计

本系统从功能上看，由STM32微处理器与Ucos系统相结合的核心部分、各传感器检测部分、GSM数据传输传输部分以及GPS定位部分等四个部分组成，系统结构框图设计如图1所示。其中，STM32微处理器是整个系统的核心，对定位模块、脉搏与心率测量等检测模块、GSM数据传输模块进行控制，并将得到的数据整理判断后通过GSM模块传输至移动终端、发送位置信息等。

2 硬件设计

2.1 电源电路设计

本系统设计的各个模块均采用5V供电，为保证系统能正常工作，一个稳定的电源电路是必不可少的。本系统采用三端稳压集成电路7805。为了各模块对单片机和其它集成芯片造成干扰，需要分开供电。

2.2 STM32微处理器电路设计

脉搏与心率测量等检测、GSM数据传输、GPS定位、语音提示及PM2.5检测等模块都需串口进行数据输入，为满足要求，本设计采用STM32芯片作为核心处理器。该芯片接收各个模块发送的数据，并通过GSM发送信息。电路设计如图2所示。

对STM32F103ZET6的设计主要包含电源、复位与晶振电路。电源部分采用5V电压供电，并用一个LED指示灯L1来表示其工作状态。复位电路中包含了上电复位和按键复位S1，晶振频率采用11.0592MHZ。

2.3 GSM数据传输模块电路设计

GSM数据传输采用SIM900A模块，该模块采用5V供电，其输入电压要添加1000μF的大电容滤波。TTL电平串口自适应兼容3.3V和5V单片机，所以可以直接与stm32芯片相连接。该模块的串口电路采用TVS和磁珠保护器件保护，使模块不会受到浪涌、高电压的伤害。5V供电电源接口添加保护电路，即使接反了也不会烧模块[2]。

2.4 GPS定位模块电路设计

定位设计采用ATK-NEO-6M-V2.3型GPS模块。该模块采用U-BLOX NEO-6M定位模组，自带MAXIM公司高增益（20.5dB）LNA芯片，搜索卫星能力极强，并与高性能陶瓷天线结合，组成接收天线。天线E1接收卫星数据到达芯片RF_IN引脚，经过芯片内部信号放大、过滤噪声、降频、取样等过程，信号再进入基频处理，将前段取样的数字信号经过运算处理数据后从串口RTD1、TXD1引脚输出至从STM32芯片，BT1为3.5V的备用电池，用于模块掉电时的数据保存。

2.5 语音模块电路设计

语音提示设计采用ISD1820语音模块，ISD1820芯片采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器及FLASH阵列等。该模块支持10秒语音录放，通过设置可进入循环播放工作模式，工作电压3-5V。

语音提示电路设计如图3所示，S5为录音按键，可以通过Mic输入语音提示内容，S3为触发模式按键，为出现高电平时自动播放当前整段的语音，S4为点动模式按键，出现高电平时播放语音，低电平时停止播放，本设计采用整段语音提示播放。为增加扬声器音量，在主单片机触发语音模块后，ISD1820输出信号还经过由LM386、R57、R60、C47、C50构成的差分放大电路进行放大处理。

2.6 PM2.5检测模块电路设计

颗粒物检测采用日本夏普公司粉尘传感器GP2Y1051AU0F，该传感器内置气流发生器可以自行吸入外部空气，可用于室内环境中烟气、粉尘、花粉等浓度的检测，可以用来测量0.8微米以上的微小粒子，工作电压0.3-7V。

电路设计如图4所示。传感器在插上电源1s钟之后稳定正常工作，使用串口输出至主单片机P1^0口，通过串口直接读取稳定电压。

3 软件设计

系统的软件设计主要包括Ucos系统控制端的操作软件设计、基于stm32芯片对各个模块的控制软件设计、对显示界面的软件设计等。图5为stm32主机与各个模块的控制关系。它是在未考虑各个模块间内在联系的基础上，简要的展现各个模块受主机控制的过程。基于文章篇幅，本文仅对脉搏与心率测量等等几个模块的软件设计作说明。

3.1 脉搏与心率测量等检测模块软件设计

初始化串口，采集该模块传输的数据，得到的数据主要是传感器检测脉搏的模拟电压数据，用stm32内部自带AD进行检测然后进行数值转换即可得到使用者的心率以及脉搏。设计流程如图6所示：

3.2 GSM数据传输模块软件设计

对GSM数据传输模块软件设计如图7所示。在GUI初始化完成后再初始化串口，通过指令AT+CMGS=要通信的目的手机号码，即为AT+CMGS=的16进制ASCII码加上通信对方手机号码的16进制ASCII码，且主机向GSM模块发送1条命令后，必须以1个回车符和换行符作为该条指令的结束。当界面GUI的按键按下后，调用GSN相关函数，向上述设置好的号码发送信息，发送成功后，返回一个发送成功的指令。

3.3 GPS定位模块软件设计

程序进入定位模块时，先将串口初始化，设置波特率。GPS数据的处理包含两个部分，一部分是对GPRMC数据的解析处理；另一部分是对GPGGA数据的解析处理。在对GPRMC数据的解析时主要是定义了一个字符型变量ch，并判断接收到的数据的第5个字符，如果第5个字符是C，在判断定位状态status是否等于A，如果等于则就将接收到的经度、纬度、日期和时间信息进行字符转换，及单片机将GPS接收机发送来的数据通过软件程序控制转换成字符型数据。在对GPGGA数据的解析是也是定义了一个字符型变量ch，判断接收到的数据的第4个字符，如果第4个字符是G，且定位状态标志位status不等于“，”，那么单片机也将GPS发送来的海拔高度和水平面高度数据通过软件程序转换成字符型数据。并且将数据存入缓存区域，通过调用GUI相关函数显示。GPS数据处理流程如图8所示。

4 结论

为了测试防走失定位仪的准确性以及实际使用效果，测试过程中均是同测试者、同时间、血液均采于同一食指位置。可以看到，LCD上显示系统检测到的血氧浓度为96%（成年血氧浓度正常值是95%-100%之间）；脉搏数为83次/分（正常人脉搏数60-100次/分）；PM2.5及GPS定位参数都与单个检测器上的数值一致且精度较高，“急救”报警正常。测试结果如图9所示。通过对系统的整体性能测试，本系统所有模块均能长时间的正常稳定工作，各项性能指标均完全达到预期的设计要求并能方便地拓展其功能和应用，具有很好的实用价值。

【参考文献】

[1]徐超，邬志锋.基于STM32的便携式心电信号测量仪的设计[J].装备制造技术，2012（1）：57-59.

[2]陈新.GSM数字蜂窝移动通信.1995[Z].

[3]张秀娟，程飞龙.基于STM32的便携式生命体征监护仪设计[J].电子技术应用，2013（11）：20-22.

[责任编辑：王楠]