基于STM32的智能轮滑系统的硬件设计

庄垚　刘林真　彭井花

摘要：针对轮滑对运动场所的要求具有较高的标准，提出一种基于STM32的定位系统。通过集成GPS和GSM/GPRS的SIM928模块实现对轮滑滑行的定位，后台显示滑行轨迹，记录轮滑活动时间，获取轮滑速度，配合智能轮滑APP，分享轮滑轨迹，分享室外方便进行轮滑运动的场地，分享轮滑的质量、价格性价比等。经测试，系统较好地实现以上功能，且运行稳定。

关键词：智能轮滑；GPS模块；GPRS模块；SIM928

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0141-02

轮滑是流行的户外运动，但想在户外找一个适合轮滑运动的场地较难查询，轮滑鞋价格从百元到千元不等，但是性价比怎样，缺少实际用户的真实评价，较多儿童也喜欢轮滑运动，而儿童安全意识薄弱，如何让家长放心做到实时监管呢？为解决上述问题，提出了智能轮滑。智能轮滑不进行现有轮滑的改变，贴上硬件模块，当轮滑开始滑行时，实时接收GPS的定位信息，并通过GPRS发给服务器，完成对轮滑运动各方位数据捕获和保存，进行限速、限时，还原“滑行”轨迹。本系统适用于轮滑爱好者轻松的在户外找一个适合轮滑运动的场地，轮滑初学者更有理智性去购买高质量轮滑鞋、儿童的安全问题更容易得以保障。

1 系统总体设计

本系统对于硬件的设计重点考虑单片机模块、GPS模块、GPRS模块。单片机模块采用由STM32F103RBT6，STM32含高性能ARM Cortex-M3 32位RISC内核，具有带唤醒功能的低功耗模式和强大的库函数。GPS、GPRS模块采用SIM928模块，SIM928是一款集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS模块，准确定位<2.5米CEP。系统主程序流程图如图1所示。

主要完成如下功能：（1）GPS采集程序：等待定位灯闪烁，获取定位信息，按照NMEA[1]协议对定位信息进行解析，获取经纬度和速度参数。（2）GPRS数据传输：首先在PC机上建立好服务器，再利用手机卡注册好网络，去连接服务器对应IP和端口，进行数据发送。（3）报警处理程序：检测到超速、超时，单片机相应的I/O口产生不同高电平信号，驱动报警模块中的蜂鸣器工作，从而确认是超时还是超速。（4）信息检索处理程序：检索是否有信息，并检查信息是否按照标准格式发过来，如果是，修改对应速度上限、时间上限的值。

2 硬件电路描述

本系统硬件部分主要包含4个模块：主控模块、MAX3232模块、SIM928模块、报警模块；其中主控模块又分为：电源模块、串口模块、显示模块；MAX3232模块有三个，分别对应GPS、GPRS、STM32的TTL电平转换为232；SIM928模块有SIM卡模块、电源模块、串口模块；报警模块主要由蜂鸣器构成。主要实物如图2所示。

2.1 SIM928模块

SIM928的GPS外围电路为在引脚11外接了PPS灯，因为引脚11是脉冲输出引脚，可以判断定位状态，当PPS灯闪烁（1秒亮一秒灭）表示定位成功，常灭表示没有定位。并且在进行GPS测试时，最好是在空旷的地方，否则需要在IPX-SMA转接线外加天线，把黑面朝上，提高搜星速度。

SIM928的GPRS外围电路分为串口模块、SIM卡模块。天线采用外接天线，不需要太强信号即可实现GPRS入网，通常不需要接入；在开始通信前，需要检查模块正常运行与否。插上SIM卡后查看LED指示灯状态，如果网络指示灯，1秒亮后接着3秒灭，常亮RING指示灯，也是表明模块工作正常。备用电源采用的是CR1220，两个模块共用一个电池，也减少电路的复杂度。

2.2 报警模块

报警模块由外接无源蜂鸣器构成，该蜂鸣器模块板载8550三极管驱动，低电平有效，可以直接和单片机I/O控制，工作电压在5V，板子尺寸为22（mm）×12（mm）。检索接收到的特定信息内容，例如“set0304”，提取后4位数据，进行对应速度、时间上限的刷新，再判断是否超速、超时。超速的话，拉低对应蜂鸣器引脚1秒，拉高1秒，为报警模式1；超时的话，拉低引脚2秒，拉高1秒；同时超速、超时的话，就直接一直拉低蜂鸣器电平。

3 系统的实现

3.1 GPS信号解析

SIM928启动后，等待GPS模块的PPS灯闪烁，获取得到卫星信号，然后STM32对GPS信息进行提取，提取过程分为2个步骤：

（1）STM32 与 GPS 模块串口进行连接通信，获取定位信息，得到的定位信息严格按照NMEA协议来传输，提取其中帧头为$GPRMC的数据。（2）获取到的数据格式如下：$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。这些数据主要有协调定位时间UTC、经、纬度Longitude、速度Speed、海拔Altitude、捕获模式 Fix Mode等信息，按需获取指定数据。其中，通过分析数据协议以及与自身系统的需求，本系统仅仅提取字段3、4、5、6、7，分别对应为纬度、经度、速度参数。

3.2 GPRS数据传输

SIM928与大多数GPRS模块一样，只需通过发送 AT指令就可建立TCP /IP连接来进行数据的收发[3]。当SIM928的GPRS模块正常工作时，其RUN灯将2秒一闪，然后通过GPRS串口与STM32进行通信。

程序设计过程中需要注意，由于CPU响应较快，指令马上会得到回复，AT指令本身也会传到服务器，所以AT指令执行完，应给予较长的延时。

3.3 服务器搭建

为解决动态公网IP端口被屏蔽，无公网IP的问题，本系统使用新花生壳软件，实现自己搭建服务器。在服务器创建时，分别打开网络调试助手、新花生壳软件。先在网络调试助手里选择协议类型、填写端口号，点击连接。接着在花生壳上进行添加映射，在编辑端口映射信息时IP地址和端口号必须要与网络调试助手上的一样，即可映射完成，最终得到外网访问地址。检查映射是否成功，可通过域名诊断来检测。

4 硬件测试结果分析

将本系统应用到轮滑上，在操场上进行对定位 GPS 设备的接收、信号延时及成功率的测试和定位精确度测试。实验结果表明设备通信延时低而且成功率高，能满足一般的实时数据查询要求[3]。图3为向服务器发送的经纬度信息，前标的1代表为轮滑鞋的ID。

5 结语

根据智能轮滑的要求，提出了基于STM32的嵌入式GPS/GPRS定位系统，使用二合一的SIM928模块，系统安全稳定，而且定位精准有效，用户还可使用智能轮滑APP，查询适合轮滑的场所、轮滑轨迹和轮滑俱乐部举行的活动。虽然解决了上述问题，但还存在一些不足，比如：设备的体积有待改善、功耗还有所提升的空間、可增加语音模块使其更加智能等。该系统可以考虑采用MSP430系列单片机，并移植UC/OS-II 操作系统，将系统划分几个并行存在的任务，再根据任务的重要程度分配优先级，创建出功耗更低、运行更流畅的系统[4]。

参考文献

[1]斯亮.嵌入式 GPS/GIS 导航系统的研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[2]陈维维.嵌入式无线定位追踪系统的技术研究[D].南京：南京理工大学，2013.

[3]黄勇.基于STM32的车载GPS/GPRS定位系统设定[D].上海：上海理工大学，2017.

[4]任哲，房红征，曹靖.嵌入式实时操作系统 UC＼OS原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.