一、前言

1.1 項目介紹

【1】項目功能介紹

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，兒童安全問題日益引起廣泛關(guān)注。在日常生活中，尤其是在上學(xué)放學(xué)途中、戶外活動時，兒童走失事件時有發(fā)生，給家庭和社會帶來了極大的困擾和擔(dān)憂。隨著學(xué)業(yè)負擔(dān)的增加，學(xué)生時常會因為忘記攜帶所需書籍而影響學(xué)習(xí)。如何利用現(xiàn)代技術(shù)手段提高兒童安全保障水平，并輔助他們培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，成為了一個待解決的社會需求。

基于此背景，當(dāng)前設(shè)計并實現(xiàn)一款基于STM32F103RCT6微控制器為核心的兒童智能安全防護書包，顯得尤為必要與實際。這款書包集成了先進的定位技術(shù)和無線通信模塊，能夠?qū)崟r追蹤并發(fā)送兒童的位置信息給家長，確保在緊急情況下快速響應(yīng) （發(fā)送短信的時候，直接通過GPS經(jīng)緯度拼接百度地圖的HTTP請求鏈接，家長收到短信可以直接打開鏈接，在網(wǎng)頁查看百度地圖上顯示的具體位置，可以直接通過百度地圖導(dǎo)航過去）。同時，具備智能化功能，如課程表錄入存儲與提醒系統(tǒng)，利用EEPROM（例如AT24C02）進行數(shù)據(jù)持久化存儲，并通過RFID-RC522射頻識別模塊自動檢測所攜帶書籍是否齊全，避免孩子因疏忽遺漏課本而耽誤學(xué)習(xí)。

智能書包還配備了直觀易讀的1.44寸LCD顯示屏，用于顯示當(dāng)前位置信息、當(dāng)日課表以及未帶書籍的提醒。當(dāng)檢測到缺少某本書籍時，蜂鳴器模塊會發(fā)出聲音警報，從而強化提醒效果，幫助學(xué)生養(yǎng)成有序整理個人物品的習(xí)慣。

這款基于STM32的兒童智能安全防護書包是一個集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS定位、無線通信和智能感知于一體的創(chuàng)新產(chǎn)品，提升兒童的安全防護等級，加強家校互動，促進學(xué)生自我管理能力的培養(yǎng)，充分體現(xiàn)了科技服務(wù)于生活、服務(wù)于教育的理念。

【2】設(shè)計實現(xiàn)的功能

（1）實時定位與緊急求助功能：

• 通過集成GPS模塊，該智能書包能夠?qū)崟r獲取并更新兒童的位置信息，并通過無線通信（GSM短信模塊如Air724UG 4G）將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給家長。當(dāng)兒童在陌生環(huán)境中迷路或者遇到緊急情況時，只需按下求救按鈕，系統(tǒng)立即向預(yù)設(shè)的家長手機發(fā)送包含當(dāng)前位置信息的短信，方便家長迅速找到孩子。

（2）課程表管理與提醒功能：

• 設(shè)計有課程表錄入存儲模塊，利用EEPROM芯片AT24C02進行非易失性數(shù)據(jù)存儲，家長或?qū)W生可以預(yù)先將每日課程表輸入到系統(tǒng)中。
• 每天早上，書包會根據(jù)存儲的課程表自動檢查當(dāng)天所需的書籍是否已放入書包內(nèi)。通過射頻識別RFID-RC522模塊讀取貼在書籍上的標(biāo)簽信息，若發(fā)現(xiàn)缺少某科書籍，則蜂鳴器會發(fā)出聲音警報，同時LCD顯示屏也會顯示相應(yīng)的提示信息，確保學(xué)生不會忘記攜帶必要的學(xué)習(xí)資料。

（3）可視化信息展示：

• 配備了1.44寸LCD顯示屏，可實時顯示當(dāng)前地理位置信息、時間以及當(dāng)日的課程表內(nèi)容，使得學(xué)生和家長可以直觀地查看重要信息。

這款基于STM32的兒童智能安全防護書包實現(xiàn)了兒童安全監(jiān)護和學(xué)業(yè)輔助兩大核心功能，既有助于保障孩子的安全出行，又能培養(yǎng)他們的自我管理和規(guī)劃能力，體現(xiàn)了科技產(chǎn)品在教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用價值。

【3】項目硬件模塊組成

（1）主控芯片：

• STM32F103RCT6微控制器作為整個系統(tǒng)的“大腦”，負責(zé)控制和協(xié)調(diào)各個功能模塊的運作，處理GPS定位數(shù)據(jù)、GSM短信通信、RFID識別信息等，并通過程序邏輯實現(xiàn)課程表管理、提醒以及數(shù)據(jù)顯示等功能。

（2）定位模塊：

• GPS模塊，用于實時獲取并更新兒童所在位置信息，確保家長可以隨時查看孩子的位置狀態(tài)。

（3）無線通信模塊：

• Air724UG 4G GSM短信模塊，提供遠程通信能力，當(dāng)發(fā)生緊急情況時，兒童可通過書包上的求救按鈕觸發(fā)發(fā)送帶有位置信息的短信至預(yù)設(shè)的家長手機。

（4）存儲模塊：

• AT24C02 EEPROM芯片，用作非易失性存儲器，存儲孩子的課程表信息，即使在斷電情況下也能保存數(shù)據(jù)不丟失。

（5）射頻識別模塊：

• RFID-RC522模塊，配合貼在書籍上的RFID標(biāo)簽，檢測書包內(nèi)是否攜帶齊全當(dāng)日所需的書籍資料，如果發(fā)現(xiàn)缺少書籍，會觸發(fā)報警提示。

（6）報警提示模塊：

• 高電平觸發(fā)的蜂鳴器模塊，在檢測到未帶書籍或其它異常情況時，通過發(fā)出聲音警報來提醒學(xué)生。

（7）顯示模塊：

• 采用1.44寸LCD顯示屏，實時展示當(dāng)前位置、時間、當(dāng)天課表及未帶書籍等重要信息，方便用戶直觀了解當(dāng)前狀況。

【3】功能總結(jié)

基于STM32的兒童智能安全防護書包設(shè)計

（1）定位模塊：定位模塊實時獲取兒童位置信息，能夠家長在放學(xué)時找到兒童位置，或者丟失時及時查找兒童的位置。
（2）GSM短信模塊：兒童如果意識到自己走丟，就可以按下求救按鈕發(fā)送位置短信給家長，進而使家長盡快找到兒童位置
（3）課程表錄入存儲模塊：將每天的課程表錄入系統(tǒng)，以便提醒學(xué)生第二天要帶什么書籍。(eeprom)
（4）射頻識別模塊：將每一科的書籍貼上標(biāo)簽再與系統(tǒng)中的課表進行對比，如果檢測到當(dāng)天某一科書本沒有帶，蜂鳴器會響，呼吸燈會亮。（RFID）
（5）顯示模塊：LCD屏顯示實時位置課表信息以及提示沒有帶的書籍。

硬件選型：

（1）主控芯片采用STM32F103RCT6

（2）定位模塊采用: GPS模塊

（3）短信發(fā)送模塊采用 Air724UG 4G

（4）存儲模塊采用AT24C02

（5）射頻識別模塊采用RFID-RC522

（6）報警提示采用高電平觸發(fā)的蜂鳴器模塊

（7）顯示屏采用1.44寸LCD顯示屏

1.2 設(shè)計思路

（1）需求分析階段：

• 對目標(biāo)用戶群體（兒童與家長）的需求進行深入研究和理解，確定主要功能點：兒童安全定位、緊急求助、課程表管理與提醒、書籍?dāng)y帶檢測等。

（2）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計：

• 根據(jù)需求，選擇STM32F103RCT6作為主控芯片，因其具有強大的處理能力、豐富的外設(shè)接口及低功耗特性，能夠滿足項目所需的復(fù)雜計算任務(wù)和多模塊協(xié)調(diào)工作。

（3）功能模塊劃分：

• 定位模塊設(shè)計采用GPS接收器，實時獲取并解析位置信息。
• 無線通信模塊選用4G GSM短信模塊Air724UG，實現(xiàn)實時位置信息的遠程發(fā)送和接收緊急求助信號。
• 數(shù)據(jù)存儲模塊使用EEPROM AT24C02，確保課程表數(shù)據(jù)的安全可靠存儲。
• 為實現(xiàn)書籍?dāng)y帶檢測，利用RFID-RC522射頻識別模塊，結(jié)合預(yù)置在書籍上的RFID標(biāo)簽，自動識別書包內(nèi)書籍是否齊全。
• 報警提示模塊通過高電平觸發(fā)的蜂鳴器來發(fā)出聲音警告，提醒學(xué)生遺漏書籍。
• 顯示模塊配備1.44寸LCD顯示屏，直觀展示位置信息、課程表以及未帶書籍的提醒。

（4）軟硬件協(xié)同設(shè)計：

• 硬件方面，合理布局各模塊，優(yōu)化電源管理，確保設(shè)備穩(wěn)定運行；軟件方面，編寫高效的嵌入式程序，實現(xiàn)對各個硬件模塊的控制和交互，包括GPS數(shù)據(jù)解析、GSM通信協(xié)議棧開發(fā)、RFID讀取與比對算法、數(shù)據(jù)顯示邏輯等。

（5）人機交互設(shè)計：

• 設(shè)計簡潔易用的界面和操作流程，如一鍵求救按鈕、清晰的課程表顯示、直觀的報警提示等，便于兒童和家長快速理解和操作。

1.3 系統(tǒng)功能總結(jié)

1.4 開發(fā)工具的選擇

STM32的編程語言選擇C語言，C語言執(zhí)行效率高，大學(xué)里主學(xué)的C語言，C語言編譯出來的可執(zhí)行文件最接近于機器碼，匯編語言執(zhí)行效率最高，但是匯編的移植性比較差，目前在一些操作系統(tǒng)內(nèi)核里還有一些低配的單片機使用的較多，平常的單片機編程還是以C語言為主。C語言的執(zhí)行效率僅次于匯編，語法理解簡單、代碼通用性強，也支持跨平臺，在嵌入式底層、單片機編程里用的非常多，當(dāng)前的設(shè)計就是采用C語言開發(fā)。

開發(fā)工具選擇Keil，keil是一家世界領(lǐng)先的嵌入式微控制器軟件開發(fā)商，在2015年，keil被ARM公司收購。因為當(dāng)前芯片選擇的是STM32F103系列，STMF103是屬于ARM公司的芯片構(gòu)架、Cortex-M3內(nèi)核系列的芯片，所以使用Kile來開發(fā)STM32是有先天優(yōu)勢的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科書里都是以keil來教學(xué)，開發(fā)51單片機、STM32單片機等等。目前作為MCU芯片開發(fā)的軟件也不只是keil一家獨大，IAR在MCU微處理器開發(fā)領(lǐng)域里也使用的非常多，IAR擴展性更強，也支持STM32開發(fā)，也支持其他芯片，比如：CC2530,51單片機的開發(fā)。從軟件的使用上來講，IAR比keil更加簡潔，功能相對少一些。如果之前使用過keil，而且使用頻率較多，已經(jīng)習(xí)慣再使用IAR是有點不適應(yīng)界面的。

二、代碼設(shè)計

2.1 GPS解析代碼

基于STM32 HAL庫進行GPS NMEA協(xié)議數(shù)據(jù)解析的代碼

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

// GPS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體定義
typedef struct {
    char GPGGA[100]; // 用于存儲GPGGA語句
    double latitude;  // 緯度
    double longitude; // 經(jīng)度
    float UTC_time[7]; // UTC時間
    int fix_quality;   // 定位質(zhì)量
    float hdop;       // 水平精度因子
} GPS_Data_TypeDef;

// 全局變量聲明
GPS_Data_TypeDef GPS_Data;

// 串口接收緩沖區(qū)
uint8_t RxBuffer[256];

// GPS NMEA數(shù)據(jù)處理函數(shù)
void ProcessGPSData(void) {
    static uint8_t index = 0;
    
    // 從串口接收到的數(shù)據(jù)中查找特定的NMEA語句，例如GPGGA
    if (strstr((char*)RxBuffer, "$GPGGA")) {
        // 分割NMEA語句獲取所需字段
        char *token;
        token = strtok((char*)RxBuffer, ",");
        
        while(token != NULL) {
            // 解析各字段
            if (/* 判斷當(dāng)前token是否為緯度 */) {
                GPS_Data.latitude = atof(token);
                // 考慮南北緯轉(zhuǎn)換及格式化
            } else if (/* 判斷當(dāng)前token是否為經(jīng)度 */) {
                GPS_Data.longitude = atof(token);
                // 考慮東西經(jīng)轉(zhuǎn)換及格式化
            } else if (/* 判斷當(dāng)前token是否為UTC時間 */) {
                // 處理時間信息
            }
            token = strtok(NULL, ",");
        }

        // 清空接收緩沖區(qū)以便下次接收新的數(shù)據(jù)
        memset(RxBuffer, 0, sizeof(RxBuffer));
        index = 0;
    }
}

// 串口中斷服務(wù)函數(shù)
void USART1_IRQHandler(void) {
    static uint8_t UART_Rx_STA = 0;
    uint8_t temp=0;

    if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE) != RESET) && (__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&huart1, UART_IT_RXNE) != RESET)) {
        temp = huart1.Instance->RDR & 0xff; // 讀取接收到的數(shù)據(jù)

        // 將接收到的數(shù)據(jù)添加到緩沖區(qū)，并檢查是否有完整的NMEA句子結(jié)束符'rn'
        if (temp == 'n') { // 根據(jù)實際使用情況可能需要同時檢測'r'和'n'
            RxBuffer[index++] = temp; // 添加換行符
            RxBuffer[index] = '?'; // 字符串結(jié)束符
            ProcessGPSData(); // 調(diào)用解析函數(shù)
        } else if (index < (sizeof(RxBuffer)-1)) {
            RxBuffer[index++] = temp;
        }
    }
}

int main(void) {
    // 初始化系統(tǒng)時鐘和USART1
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    // 開啟串口中斷
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE);

    while (1) {
        // 主循環(huán)
        // ...
    }
}

2.2 AT24C02存儲代碼

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "stm32f1xx_hal_i2c.h"

#define EEPROM_ADDRESS 0xA0 // AT24C02的I2C地址

I2C_HandleTypeDef hi2c1;

void SystemClock_Config(void);

void I2C_Init() {
    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
    hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
    HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

void EEPROM_Write(uint16_t addr, uint8_t data) {
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, EEPROM_ADDRESS, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);
}

uint8_t EEPROM_Read(uint16_t addr) {
    uint8_t data;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, EEPROM_ADDRESS, addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return data;
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    I2C_Init();

    uint16_t address = 0x00;
    uint8_t data_to_write = 0x55;
    uint8_t data_read;

    // 寫入數(shù)據(jù)到EEPROM
    EEPROM_Write(address, data_to_write);

    // 從EEPROM讀取數(shù)據(jù)
    data_read = EEPROM_Read(address);

    // 檢查讀取的數(shù)據(jù)
    if (data_read == data_to_write) {
        // 讀取成功
    } else {
        // 讀取失敗
    }

    while (1) {
    }
}

2.3 RFID-RC522代碼

STM32與RFID-RC522的交互涉及到很多步驟，包括初始化RFID模塊、檢測卡片、讀取卡片信息、以及將這些信息存儲起來。

#include "stm32f10x.h"  
#include "SPI.h"  
#include "RFID.h"  
#include "usart.h" // 如果你使用了串口打印，可以包含這個頭文件  
  
#define SS_PIN     PA4  // 根據(jù)你的連接修改這個引腳  
#define RST_PIN    PA3  // RFID模塊的復(fù)位引腳  
  
RFID rfid(SS_PIN, RST_PIN); // 創(chuàng)建RFID對象  
  
uint8_t uid[5]; // 用于存儲卡片的UID  
  
int main(void)  
{  
    SystemInit(); // 初始化系統(tǒng)  
    usart_init(115200); // 初始化串口，用于調(diào)試  
    SPI_Init(); // 初始化SPI接口  
    rfid.PCD_Init(); // 初始化RFID模塊  
  
    while (1)  
    {  
        if (rfid.PICC_IsNewCardPresent()) // 檢測是否有新卡片  
        {  
            rfid.PICC_ReadCardSerial(); // 讀取卡片UID  
            for (uint8_t i = 0; i < rfid.uid.size; i++) // 將UID存儲到uid數(shù)組中  
            {  
                uid[i] = rfid.uid.uidByte[i];  
            }  
            // 可以在這里添加代碼將uid存儲到EEPROM、Flash或其他存儲介質(zhì)中  
            // 也可以通過串口打印UID進行調(diào)試  
            printf("Card UID: ");  
            for (uint8_t i = 0; i < rfid.uid.size; i++)  
            {  
                printf("%02X ", uid[i]);  
            }  
            printf("rn");  
        }  
        HAL_Delay(100); // 延時一段時間，避免過度占用CPU  
    }  
}

2.4 Air724UG 4G代碼

使用STM32的HAL庫和USART外設(shè)（串口）與Air724UG 4G模塊進行通信。通過UART_SendString()函數(shù)可以發(fā)送字符串到串口，通過GSM_SendCommand()函數(shù)可以向4G模塊發(fā)送AT指令。

在main()函數(shù)中，設(shè)置短信格式為文本模式，設(shè)置短信接收方號碼，發(fā)送短信內(nèi)容。

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <string.h>

UART_HandleTypeDef huart1;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    // UART發(fā)送完成回調(diào)函數(shù)
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    // UART接收完成回調(diào)函數(shù)
}

void UART_SendString(const char *str) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)str, strlen(str), HAL_MAX_DELAY);
}

void GSM_SendCommand(const char *cmd) {
    UART_SendString(cmd);
    UART_SendString("rn");
    HAL_Delay(100); // 等待響應(yīng)
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    char phone_number[] = "13800138000";
    char message[] = "Hello, this is a test message from STM32!";

    // 初始化Air724UG 4G模塊
    GSM_SendCommand("AT+CMGF=1"); // 設(shè)置短信格式為文本模式
    GSM_SendCommand("AT+CMGS="+86"); // 設(shè)置短信接收方號碼
    GSM_SendCommand(phone_number);
    GSM_SendCommand(""");

    // 發(fā)送短信內(nèi)容
    GSM_SendCommand(message);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t)26, 1, HAL_MAX_DELAY); // 發(fā)送Ctrl+Z結(jié)束符

    while (1) {
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    // 系統(tǒng)時鐘配置
}

static void MX_USART1_UART_Init(void) {
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 9600;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

三、總結(jié)

基于STM32的兒童智能安全防護書包設(shè)計通過先進的技術(shù)手段，為兒童的安全提供全方位的保障。本項目融合了GPS定位、GSM短信通信、EEPROM存儲、RFID射頻識別以及LCD顯示等多項功能，力求在兒童的日常生活和學(xué)習(xí)中提供便捷與安全。

通過GPS模塊，書包能夠?qū)崟r追蹤兒童的位置，讓家長隨時了解孩子的行蹤，確保在關(guān)鍵時刻能夠迅速找到孩子。而GSM短信模塊則為兒童提供了一個緊急求助的途徑，一旦孩子意識到自己走丟或有其他緊急情況，只需按下求救按鈕，即可將位置信息以短信的形式發(fā)送給家長，從而迅速獲得幫助。

在學(xué)習(xí)方面，本項目通過EEPROM存儲模塊實現(xiàn)了課程表的錄入與存儲功能。兒童或家長可以將每天的課程表錄入系統(tǒng)，書包便會在需要時提醒孩子攜帶相應(yīng)的書籍。而RFID射頻識別模塊則負責(zé)檢測書包內(nèi)是否已攜帶當(dāng)天所需的各科書本。如果檢測到某一科書本缺失，書包上的蜂鳴器會發(fā)出警報聲，呼吸燈也會亮起，以提醒孩子及時補充。

此外，本項目還采用了一塊1.44寸的LCD顯示屏，用于實時顯示兒童的位置信息、課表內(nèi)容以及未攜帶書籍的提示信息。這使得兒童在使用書包的過程中能夠隨時了解自己的位置和當(dāng)天的學(xué)習(xí)任務(wù)，為他們的安全和學(xué)習(xí)提供了雙重保障。