基于STM32 的智能定位童装研发

范书乐，史 慧，唐琰琳，黄 卓，牛怡婷

（内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010000）

儿童户外安全是全社会广泛关注的问题，儿童走失将会对家庭和社会造成不能补救的伤害[1]。近年来人工智能行业的发展呈快速增长之势，电子设备的小型化和新型纺织材料的不断发展，使得将智能元件集成到日常服装中成为可能，已经有越来越多的儿童智能服装产品在国内外被陆续研发面世。

智能童装的功能需求受儿童身心发育程度的影响很大。Adam Jakubas 等[2]研发了一款嵌入内衣可远程监测婴幼儿呼吸节律、湿度、体温、运动活动的融入纺织品结构的传感器系统，通过获取生理数据检测婴幼儿的生长状态。Wang Shi 等[3]指出了GPS、WiFi 和Zigbee等技术的优缺点，为定位技术在智能童装中的应用提供参考。不同的应用场景对定位精准的要求不同，面对儿童走失等遇险情况，定位需求的设计既要隐蔽又要精准。在国内，李仪[4]在材料和面料可持续性的绿色理念下进行了包括FM 婴儿睡眠监测服、定位防丢童装以及可调节情绪的心率监测童装的初步简单设计，为同类服装的开发提供参考。吴忻舟等[5]设计了具有防走失和溺水救生功能的自闭症儿童智能服装，为特殊儿童智能服装的设计提供参考。

本研究针对日常生活户外运动时，3～6 岁幼龄儿童的易动特点，研发了一款具有智能定位及预警功能的童装马甲。当儿童远离时，监护人可以马上发现并及时做出行动，将儿童外出走丢的风险降到最低。设计案例为儿童定位安全服装设计提供参考，具有产业化前景，对于帮助儿童健康安全成长也具有重要的社会意义。

1 智能定位童装系统构建

1.1 定位预警童装设计方案

根据使用场景和需求提出功能与要求。3～6 岁的幼龄儿童肢体力量发育越来越强，逐渐学会了跑、跳等活动[6]，所以这个时期的孩子比较活跃，热衷于探索外界的新奇事物，开始在家长看护下到处乱跑，但随时可能离开家长的视线，极易发生走丢事件。幼龄儿童户外活动大多集中在校园、娱乐场所、往返于家和学校的道路等人员相对密集的场所，由此本文设计了一款具有定位预警功能的智能童装。儿童穿着此款服装后，一旦超出与监护人的安全距离，系统的报警模块立即发出警报信号，并且将儿童的位置信息发送到监护人手机端，实现向监护人快速报警，提高儿童外出活动时的安全性，方便家长监护孩子，有效防止孩子丢失和被拐骗。

1.2 硬件选取

为实现设计目标，智能定位童装系统首先需要具备信号采集、处理以及反馈的功能，还需要考虑各元件模块的稳定性和准确性。确定智能定位童装硬件系统由单片机模块、位置信息采集模块、电源模块、无线传输模块和蜂鸣器报警模块等组成。利用环境传感器采集位置信息，单片机对采集的信号进行实时处理和分析判断，同时驱动无线通信模块向监护人手机端发送提示短信，完成信息的传递，实现家长对儿童的有效监护。系统组成及原理如图1 所示。

图1 系统组成及原理

1.2.1 单片机核心处理器——STM32

在智能服装产品中，单片机模块是实现其智能功能的关键技术之一，在整个服装硬件系统中起到控制的作用，主要功能是接收和处理传感器传输的信号，并驱动其他元件工作。智能服装产品是通过硬件与服装载体相结合形成的，为了保证穿着服装时的舒适性和美观性，对芯片的选择必须适应较高的要求，在满足功能需求的基础上，应该尽可能选择使用体积小、功耗小、成本低的芯片。经综合考虑后，将STM32 作为主控芯片。STM3 的供电范围是2.0～3.6V，具有64KB的程序存储器，还集成着丰富的片内外设[7]。

1.2.2 环境位置传感器——GPS 模块

GPS 最初是在军事领域使用，随着定位系统技术不断改进与完善。国家对儿童、妇女、老人等弱势群体的保护政策逐步完善，定位监护产品必然可以做到质优价廉，走进千家万户。本研究选用的SKG09BL 是一个完全的GPS 组件，它具有高灵敏度、低功耗和小型化的特点，其极高的跟踪灵敏度极大地提高了它的定位范围准确性，在狭小的都市天空下，或者在茂密的丛林中，都可以进行高精度的定位[8]。

1.2.3 无线通信模块——GSM 模块、蓝牙

智能定位服装的定位预警系统GSM 通信模块选用的是SIM800L 模块，其应用已较为成熟、完备，应用范围也相当广泛，模块的主要特点是体积小，方便用户进行生产加工；功耗极低，在待机模式下电流低于18mA，在睡眠模式下低于2mA，支持频段为GSM/GPRS900/1800 MHz，语音编码支持半速率、全速率和增强型速率。GSM 模块与蓝牙模块配合可实现与监护人手机端的无线通信。

1.2.4 电源模块——锂电池

在智能可穿戴产品的开发过程中，电池是一项不可替代的核心技术，电池的质量和体积影响着服装的舒适性，对电池技术微型化和柔性化进行合理的研究开发，有助于提高智能可穿戴产品的功能运行能力。

1.2.5 警示模块——蜂鸣器

蜂鸣器的主要作用是提醒和警示，是一种可以发出声音的装置，广泛应用于警报和提醒装置上，它具有体积小、质量轻、灵敏度高、耗电少等特点。蜂鸣器一般采用直流电源供电，由振动装置和谐振装置作用进行发声。

1.3 硬件设备的电路连接

GPS 模块、蓝牙模块、GMS 模块、蜂鸣器和锂电池都要与STM32 开发板进行电路连接。可以将各硬件设备在洞洞板上进行路线连接，将模块集中在一块固定位置，避免杂乱的杜邦线松脱造成信号采集错误。模块的GND (接地) 端和VCC (电源) 端分别连接单片机的GND 和VCC，GPS 模块与GMS模块的RXD和TXD接口与STM32 单片机相连，将2 个模块的波特率设置为9600[9]。硬件设备电路连接实物图见图2。

图2 硬件设备电路连接实物图

1.4 系统软件设计与开发

研发基于STM32、GPS 定位技术和GSM 通信技术等，目标是做到定位和预警。当儿童穿着此款服装超出安全范围，即蓝牙连接与手机端断开时，蜂鸣器发出报警声音，同时家长的手机端将收到一条报警短信，提示家长此时孩子已走远，并告知家长儿童当前的经纬度位置信息。如果家长未关闭报警，那么GSM模块将每隔1min 发送一次短信。

STM32F103C8T6 单片机程序的主要任务是接收定位模块采集的数据并对其进行处理，对蓝牙的连接情况进行判断，命令GSM 通信模块进行数据的无线传输，实现定位、报警、安全范围预警等功能。其中，单片机的主控制程序，主要是将SIM800L 模块、IO 口模块、定时器模块、蓝牙串口模块、GPS 模块初始化，使其进入相应的工作状态，对每个模块的工作流程进行控制，并协调模块间的交互关系。

通过Keil5 软件对STM32 系列的芯片进行具体程序的开发、编译、仿真。编译生成的HEX 文件最终需载入目标芯片，结合硬件完成相应的功能。载入可以通过JLINK 下载和串口下载这2 种方式进行。

2 智能定位预警童装设计制作

本研究选择制作的智能定位童装款式为简洁大方的儿童工装马甲，采取的是松身廓形的H 型结构。选择120/56A 的号型进行服装制作，根据服装款式图进行成衣规格设计与计算。制作服装的成衣规格尺寸见表1，服装结构图见图3。

表1 童装马甲120/56A 成衣规格表

图3 智能定位童装款式结构设计示意图

计算衣长L 为L=0.4h-2=46.0cm。计算胸围B 为B=B*+1（内衣厚度）+26（宽松风格）=83.0cm。计算肩宽S 为S=0.3B+11.5=36.5cm（取整至0.5cm）。

考虑到服装的洗涤和充电问题，元件和童装采用可拆卸的结合工艺，本研究设计的智能服装共有2 种着装状态，其成品的细节展示如图4 所示。背后设计可拆卸的立体口袋，用魔术贴进行固定，如图4（b）所示，将所有的电子元器件放置在后背的立体的口袋中。当不需要使用定位元件时，可将口袋拆下换上卡通图案魔术贴，如图4（c）所示。

图4 智能定位童装成品细节展示

由于智能硬件模块的加入，服装应选择细腻紧实、硬挺耐磨的面料，以较好地承受电子元器件的重量并将其隐藏，从而较大程度解决儿童日常玩耍运动易使服装磨损、破洞等问题。色彩在儿童身心发育发展过程中有着极其重要的作用，因此儿童服装色彩设计上应温馨、明亮、活泼，同时也要注意降低印染中染色残留物对儿童的伤害。

3 定位预警功能测试

3.1 测试实验设计

针对智能定位童装智能元件系统进行测试，对系统GPS 信息采集精确度和GSM 短信发送及时性进行测试并分析，目的是为了验证定位安全童装智能硬件的稳定性和有效性。

对设计的定位系统的经纬度数据采集精确度和稳定性进行静态测试和动态测试。在内蒙古工业大学、电力大楼广场、金川文化广场等3 个点位分别同时读取模块处理后传输出来的经纬度数据和GPS 测试仪显示的经纬度数据，并将3 对数据进行误差计算，完成静态测试。选取一段大约1km 的路径，在这段路径上设定20 个点进行实时移动测试，如图5 所示。记录在20 个点位上定位模块采集到的经纬度数据，将采集到的经度和纬度误差值进行分析，完成动态测试。

图5 动态测试路径点位示意图

对GSM 短信发送及时性进行测试。将定位童装中的蓝牙模块与手机端连接断开，记录手机端接收到短信所需要的时间，以此分析GSM 模块报警工作的及时有效性。

对系统报警时刻监护人与儿童之间的距离进行测试。选择内蒙古工业大学作为测试场地，儿童穿着此智能定位童装后，安排监护人在固定位置（即手机接收端的位置不变），由另一名监护人陪着儿童向远离监护人的方向移动，选择5 个地点作为测试点，测试点距离监护人分别为30、50、70、90、110m，多次实验记录蜂鸣器报警、手机端接收到报警短信时的距离。

3.2 结果分析

3.2.1 定位信息采集结果精度分析

静态定位信息采集测试数据如表2 所示。经度0.000012°误差为1m，纬度0.000009°误差为1m，根据经纬度相对误差公式δ=△/L ×100%，计算得出本研究的定位模块采集的经纬度相对误差小于0.01%，相对偏差较小。

表2 静态定位信息采集测试

采用SPSS 软件对20 个点位采集到的数据误差进行正态分析。根据图6 正态P-P 图和去趋势正态P-P图可以大致看出数据集中在期望值附近，且去趋势正态P-P 图中残缺绝对值均小于0.10，所以数据符合正态分布，差异可以忽略，即在测试场地上定位元件的经纬度动态采集是相对稳定的，不会有忽大忽小的误差跳动。

图6 误差值在SPSS 中的正态分析示意图

3.2.2 GSM 报警模块及时有效性分析

当儿童离开监护人（手机端）达到一定距离后蓝牙便断开连接，蜂鸣器随即发出报警声。经多次试验证明，在3s 内系统就能够发送1 条报警信息到监护人的手机上。测试结果表明本文设计的无线通信模块性能良好，能够及时给家长手机发送信息实现提醒预警功能。手机端接收GSM 报警信息界面见图7。

图7 手机端接收GSM 报警信息界面

3.2.3 成衣报警发生距离分析

5 名儿童穿着智能服装依次前往各个测试点，分别记录到达各个地点后的报警情况。多组测试结果表明，当儿童超出监护人（手机端）70～90m，蓝牙与手机连接断开后，定位童装系统中的蜂鸣器响起，手机端立即收到报警信息。

根据测试结果，系统实现了预设的功能，符合家长对3～6 岁幼儿的近场监护需求，本研究设计开发的智能服装在日常生活儿童智能监护中具有一定的可靠性和实用性。

4 结语

基于STM32、GPS 和蓝牙无线通讯等技术建立了儿童定位预警系统，并将其与服装有机结合，研发了一款针对3～6 岁幼儿穿着的智能定位童装。实验测试结果表明，定位模块静态采集的经纬度相对误差小于0.01%，相对偏差较小，模块经纬度动态采集也比较稳定；系统接入的通信模块性能良好，当蓝牙断开后能够在3s 内发送报警信息到目标手机。最终的成品可以达到当儿童超出监护人手机端70～90m 后及时报警的需求。虽然研究初步实现了智能定位童装的部分功能，但也出现一些问题和不足，有待于今后进一步改善。智能元件目前还都是以电子硬件设备为主，且电路设计较为僵硬和大型，对服装舒适性有着较大的影响，后续可以将模块和功能的集成度提升，以达到整个电路系统的微型化。随着电子柔性化发展，智能元件的僵硬感将会得到改善，服装的着装舒适性也将进一步提升。