宋天慧 彭启航 杨毅

摘要：在物联网技术飞速发展的新时代背景下，智能化控制系统的应用层出不穷。以STM32单片机芯片作为主控系统设计了一款智能书包，依据GPS定位技术和GSM通信技术，可在儿童走失时将实时经纬度信息发送到父母手机上，以此确定具体位置找到儿童。此外，基于传感器技术设计了开包照明功能，便于在光线较暗的环境下查找包内物品。

关键词：智能书包;STM32;GPS定位;GSM

中图分类号：TP301     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）36-0144-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Design of Smart School Bag System Based on Internet of Things

SONG Tian-hui， PENG Qi-hang， YANG Yi

（School of Computer Science and Technology， Taizhou University， Taizhou 225300， China）

Abstract：Under the background of the rapid development of Internet of things technology， the application of intelligent control system is emerging one after another. Taking STM32 single chip microcomputer chip as the main control system， an intelligent schoolbag is designed. According to GPS positioning technology and GSM communication technology， the real-time longitude and latitude information can be sent to the parents' mobile phone when the child is lost， so as to determine the specific location and find the child. In addition， the open package lighting function is designed based on sensor technology， which is convenient to find the items in the package in the dark environment.

Key words： smart school bag; STM32; GPS positioning; GSM

1 引言

日常生活中，因為儿童调皮而走失的情况时有发生，这种情况对家长、学校乃至公安部门造成了很大的困扰[1-2]。书包是与儿童接触时间很长的物品，儿童经常会随身携带。为了对儿童的安全起到一定的保障，设计了一款智能书包。该智能书包是以STM32单片机芯片作为主控系统，将GPS定位系统与书包相结合，一旦儿童意识到自己走丢或者遇到危险的时候，便可以按下求救按钮驱动GSM短信模块发送儿童实时经纬度给家长，进而使得家长可以尽快确定儿童位置，保障儿童安全。本系统除了具有GPS实时定位和短信求救功能外，还具备了相当便利的开包照明功能，运用光照传感器，给儿童以更好的使用舒适度。

2 系统设计

该设计主要分为以下几个模块：主控模块（STM32），GPS定位模块，GSM短信模块，光敏模块，LCD显示模块，按键模块以及照明模块。主控模块（STM32）负责对整个系统的控制，GPS模块负责位置信息获取，GSM模块负责位置信息发送，光敏模块负责检测环境光照强度，LCD显示模块负责显示当前位置信息，按键模块具有重置系统和发送位置信息两种功能，照明模块则为本系统提供模拟开包照明的功能。系统结构图如图1所示。

2.1 系统电路设计

2.1.1 GPS定位模块

本系统通过GPS模块解析当前儿童所处经纬度这一具体信息。GPS定位模块通过计算与每个低轨或者同步卫星的伪距离，利用距离交会算法得出电文接收设备的经纬度、高度、时间等参数[3-4]。该GPS模块采用NEO-6M定位模组，该模组采用串口方式与单片机连接，增加了信号放大电路，有利于快速定位搜索信号。GPS模块电路图如图2所示。

2.1.2 GSM短信模块

本系统采用SIM800L作为短信模块，一旦儿童发生走失或意外，则可以按下按键，通过按键模块控制SIM800L短信模块发送位置信息。该模块的电源电压是3.3V，所以需要添加一个串口通信的降压电路。GSM模块电路图如图3所示。

2.1.3 光敏模块

为了提供更高的舒适度，本系统运用了一款光照强度传感器进行光照实时检测，当打开书包时，该光敏检测模块会根据当前光照强度决定是否开启书包内部的照明灯，该模块电路图如图4所示。

2.1.4 按键模块

本系统采用的是两位独立按键调节模块，开关采用的是四脚微动开关。微动开关是利用传动元件将力作用于簧片上，在这个四脚未动开关中，有一对引脚相同，通过按压即可导通整个电路[5-6]。当按压结束后，簧片可以产生反向作用力。因按压时产生的力分布不均匀，可能会使数据出现一定的误差，需要在程序中进行按键消抖操作[7]。按键模块电路图如图5所示。

2.2 系统软件设计

2.2.1 主程序设计

本系统的运行顺序为：各模块初始化，然后通过光照传感器获取光照强度来判断是否需要打开照明灯。接收GPS数据，进行处理并将位置信息显示在LCD显示器上，再由按键模块控制GSM模块当前位置信息的发送。主程序流程图如图6所示。

2.2.2 GPS模块程序设计

采用GPS模块作为定位模块。该GPS模块系统通上电后，经过初始化后，开始搜索信号，当模块收到信号后，提取出有关经纬度信息，以便用于对儿童的定位。其具体运行流程图如图7所示。

2.2.3 GSM模块程序设计

GSM 模块选用SIM800L模块， SIM800L 搭建了家属和儿童之间走失检测信息传输的通信桥梁。GSM模块搜索信号并获取GPS模块的实时位置信息，在儿童需要帮助按下发送信息按键后，通过 AT 指令发送求救短信。 GSM 模块流程图如图8所示。

3 系统测试

本系统测试对象主要包括GPS模块、GSM和按键模块以及光敏模块。

3.1 GPS模块测试

由于该GPS模块对于信号的要求严格，此次测试的地点选择了开阔的阳台，便于此GPS模块能够更快更好地接收到来自卫星的定位信号。接通电源，當GPS接收不到信号时，其呼吸灯不闪烁，如图9所示。

当接收到信号时，呼吸灯处于规律闪烁状态，并在显示器上显示当前位置信息，如图10所示。

3.2 GSM和按键模块测试

插入电话卡，GSM搜索到信号，按下按键，按键模块控制GSM模块向预先设定好的父母方手机发送位置短信。接收到的短信显示当前经纬度信息与LCD显示屏上的信息一致，显示结果如图11和图12所示。

3.3 光敏模块测试

打开光照传感器，若测试时间选择白天，光照较强处，则LED灯未开，测试结果如图13所示。若测试时间选择黑夜，光照较弱处，则LED灯打开，测试结果如图14所示。

4 结论

该基于物联网的智能书包系统设计了GPS、GSM和光敏等模块，实现了信息感知、位置查询、开包照明功能。该系统通过GPS定位模块将定位信息实时采集出来，经处理后得到儿童当前所在经纬度等信息，在儿童需要帮助时，可通过按下按键控制GSM模块发送其位置信息到家长手机。同时借助光照传感器添加了开包照明功能，在光照强度低时打开LED灯来提供照明，为使用者提供方便。

参考文献：

[1] 朱鹏，杨延宁，张璐，等.基于BLE4.0的智能书包设计[J].电子设计工程，2021，29（1）：72-77.

[2] Chen Junyan，Chen Haibo，Gao Jianbing，et al.A business model and cost analysis of automated platoon vehicles assisted by the Internet of things[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2021，235（2-3）.

[3] 李万民，兰萍，余应坤，等.基于GPS/GPRS的学生上下学安全监测系统[J].信息技术与信息化，2019（9）：51-53.

[4] 张粮雨.基于物联网技术的智能箱包系统[D].成都：成都理工大学，2017.

[5] 郁承鑫.基于RFID技术的智能安全书包系统[J].发明与创新（中学生），2020（8）：18-21.

[6] 王艺菲，肖鹏飞，孙晓磊.基于RFID的防遗落智能书包的设计与实现[J].信息与电脑（理论版），2019，31（23）：47-48，51.

[7] 刘志森，宫子军，杨金宇，等.智能书包安全系统[J].科学技术创新，2019（14）：78-79.

【通联编辑：梁书】