基于Cortex-M4的便携式求救仪设计

毛小波 ，庹先国 ，2，李怀良 ，2，刘 勇

（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.西南科技大学 核废物与环境安全国防重点学科实验室，绵阳 621010）

在当今这个竞争激烈的社会，迫于生活压力，很多家庭都呈现这样的现象：子女外出打工，家中只剩下老人和小孩，导致老人与子女的沟通较少。虽然各种智能手机已广泛使用，但由于绝大多数老人文化程度不高，又因年老手脚不灵活，所以对手机的使用不是很方便，甚至有的老人不会使用。当老人独自在家或在户外时，如果突发险情，就会导致无法及时向外求救，从而造成生命危险。针对这种情况，本文从实际出发，提出一种利用GSM网络技术和GPS技术实现老人紧急求救的方法。

1 仪器的总体设计及工作原理

仪器的结构框图如图1所示。整个仪器由以ARM Cortex-M4为内核的STM32F407单片机模块、GPS模块、GSM模块、报警模块、电源模块、指示灯模块、LCD显示模块以及按键模块组成[1]。当老人独自在家或行走在外时，如果老人突发险情，老人可以凭借随身携带的求救仪及时向其子女及其周围的人群求救。其实现原理为：老人按下仪器上的求救按钮，此信号首先通过STM32F407模块进行处理，经识别后转换为相应的求救信号，然后通过RS232串口发送到GSM模块，最后以短信的方式通过GSM移动网络发送到子女的手机上。与此同时，STM32F407单片机会从GPS接收模块中读取老人出事的地点及时间，然后把定位信息发送到子女的手机上。这样子女便可以在第一时间收到老人的求救信息，然后及时向相关部门寻求帮助，从而在第一时间救助老人。

图1 仪器结构框图Fig.1 Instrument structure diagram

2 仪器功能实现的硬件平台

仪器功能得以实现，硬件设计是关键和基础。本仪器主要集成了以下硬件模块。

2.1 控制器

控制器模块由微处理器及其时钟电路、复位电路、滤波电路、在线调试电路等组成。为满足设计要求以及考虑到仪器的优化与升级，本仪器采用ST公司生产的高性能、低功耗的32位CMOS单片机STM32F407VGT6作为主处理器。具有高达168 MHz的工作频率，内置高速存储器 （1 MB Flash，192+4 KB RAM）和丰富的通用I/O接口。单片机主要通过USART（通用同步异步收发机）端口与GSM模块、GPS模块进行通信，实现信号的发送与接收。

2.2 GPS接收模块

应仪器功能设计的需要，本仪器采用型号为HOLUX M-9323的GPS接收模块。由于其输出方式为RS232串口输出，所以在电路设计时，只需将STM32单片机的一个串口与其相应引脚相连接，GPS接收模块将接收到的卫星数据存储在接收缓冲器里，等待微处理器读取数据。

2.3 GSM模块

如图2所示，本仪器采用的GSM模块为TC35，STM32与GSM模块之间采用串口通信方式，因为STM32的TXD和RXD是COMS电平，而GSM模块的UART是TTL电平，所以在电路设计时，利用7407（TTL to CMOS）电平转换芯片，实现单片机与GSM模块间的电平转换。由于TC35模块[2]的RXD定义是相对单片机的，所以TC35的TXD相对单片机来说是接收端，故其连接方式为STM32的TXD与GSM的TXD0相连，STM32的RXD与GSM的RXD0相连，然后两者共地。为获取移动网络，TC35中需集成SIM卡，SIM卡是整个GSM网络中唯一确认用户身份的设备。SIM卡有6个触点，分别是VCC、RST、CLK、GND、VPP、IO， 它们与 TC35 的 CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCVCC、CCIO 引脚对应连接，其中VPP引脚可悬空或连接到CCVCC，本电路设计中VPP是连接到CCVCC的。

图2 GSM模块电路Fig.2 GSM module circuit

2.4 报警器模块

在电路设计时，为仪器设计了报警电路，利用NPN型的三极管作为放大器，驱动扬声器发音。一旦老人按下求救键，报警器立即报警，旨在帮助老人向外界发出求救信号。同时，也证明老人的求救信号发送成功。

2.5 LCD显示模块

本设计中使用的LCD显示模块为12864液晶显示屏，除了用于显示日期和时间，还可以显示子女发来的短信内容。LCD与按键模块配合使用，可以进行一些参数配置。

3 仪器电源电路设计

本仪器主要用到两种电压值：5 V和3.3 V。5 V为GPS模块、GSM模块、报警器模块供电；3.3 V为STM32F407微处理器供电。考虑到使仪器能够随身携带及成本问题，目前主要采用GP公司的型号为4LR44的6 V电池作为总电源。为了获得稳定的3.3 V和5 V电压，电路中采用了低压差、线性稳压器LM1085和LT1129-5。电路设计如图3所示。

其中 L1、L2、L3、L4为磁珠，主要作用是消除高频干扰，C1、C2、C3、C4作为旁路电容和去耦电容， 主要滤除输入、 输出中的高频噪声，C01、C02、C03、C04为电解电容，起到滤波的作用。在大电容旁边并联一个小电容，其目的是降低高频内阻。为了便于老人了解仪器的电量情况，在设计中利用LM393比较器做了一个比较电路，设置了一个可调的参考电压，如果电量充足，大于参考电压，则电量指示灯为绿色；如果电量不足，小于参考电压，则电量指示灯为红色。

4 仪器软件设计

4.1 仪器功能实现流程

本仪器主要利用STM32微处理器读取GPS接收器的值，然后通过发送AT指令控制GSM模块，最后将求救信号以短信的方式发送到子女的手机上，子女收到老人的求救短信后，根据短信中所提供的地理位置，便可及时向当地120求救，以便在第一时间救助老人，其流程如图4所示。

如果老人是因为不小心按下了求救键，造成误报，可以使用仪器上的安全键向其子女说明情况，以避免造成子女不必要的担心。程序的实现流程如图5所示。

4.2 GSM-PDU短消息设置

STM32单片机与TC35模块之间是通过AT指令进行交互通信的，通过使用正确的AT指令对TC35模块进行初始化和短消息的收发设置。短消息的设置共有3种模式：TEXT模式、BLOCK模式和PDU模式[3]。目前BLOCK模式已不使用，TEXT模式只能发送英文短信，而PDU模式中英文短信都支持。在PDU模式中，短消息一共有3种编码方式：即7-bit编码，8-bit编码，UCS2 编码 （16-bit编码）[3]。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，最多可发送160个字符：8-bit编码通常用于发送数据消息，最多可发送140个字符；UCS2编码用于发送Unicode字符，最多可发送70字符[4]。本设计的短消息采用PDU模式下的Unicode编码。

图4 仪器功能流程图Fig.4 Flow chart of Instrument function

图5 主程序流程图Fig.5 Flow chart of main program

例如，发送中文短信“老人有危险”到目的手机15828047459，则首先发送数据串AT+CMGF=0 （ 是回车符），延时一段时间，等待返回AT+CMGF=0 OK；然后发送数据串AT+CMGS=25 ，延时一段时间，等待返回AT+CMGS=25及 ASCII字符“＞”；最后发送 PDU 数据：00110 00D91685128087454F90008AA0A80014EBA67095 3719669x01a，接着会返回0011000D916851280874 54F90008AA0A80014EBA670953719669[5]。延时一段时间，如果返回+CMGS：XXX OK，则表明短信发送成功。对PDU数据串中各个数据域进行分析如表1所示。

表1 短消息数据的PDU格式Tab.1 PDU format of short message data

5 结语

本仪器设计的初衷是针对社会中的老人群体，尤其是那些子女长期不在身边的老人或者是孤寡老人群体。他们需要这样一种便携式求救仪在身边，以便及时向外界求救。经多次反复试验表明：本仪器可以解决年迈的老人在遇突发事件时，难以求救的问题，而且其性能很好。本仪器与市面上的一些老人手机相比，其优势在于：除了成本很低，人人都能承受之外，最重要的一点是其操作对于老人来讲非常简单，此外本仪器也可以用于聋哑人群体。所以，具有社会价值和应用价值。

[1] 陈致远，朱叶承，周卓泉，等.一种基于STM32的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2012，38（9）：138-140.

[2] 王晓辉.环基于GSM网络的DCS远程供水系统[D].太原科技大学，2008.

[3] 陈康伟，王建，钟波.基于Cortex-M3的GSM短信报警系统设计[J].大众科技，2012，14（5）：1-3，24.

[4] 刘世俊.基于GSM短消息的远程呼救系统[J].电脑与电信，2008（8）：41-43.

[5] 刘涛，张春业，韩旭东，等.基于手机模块TC35的单片机短消息收发系统[J].电子技术，2003，30（3）：36-38.