基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)智能保險(xiǎn)箱設(shè)計(jì)

王佳 張煥明 黎洋杰 呂浩軒 李海霞

編者按：文章提出了基于STM32F4架構(gòu)下的物聯(lián)網(wǎng)智能保險(xiǎn)箱的設(shè)計(jì)方案。通過GPSR模塊與阿里云平臺(tái)達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)的效果，保險(xiǎn)箱通信覆蓋面積大且傳輸速度快，可以靈活應(yīng)用于家庭保險(xiǎn)領(lǐng)域。保險(xiǎn)箱具有GPS定位、被盜報(bào)警、密碼解鎖、語音解鎖等功能，相對(duì)于其他保險(xiǎn)箱，該款保險(xiǎn)箱安全性更強(qiáng)，尤其追蹤找回效果更有優(yōu)勢(shì)?？赏ㄟ^Android手機(jī)App實(shí)現(xiàn)與保險(xiǎn)箱的通信，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制。

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展和個(gè)人保密工具的需求日益提高，傳統(tǒng)產(chǎn)品正在向智能化過渡，因此與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的智能化產(chǎn)品的發(fā)展即將越來越發(fā)達(dá)。

由于STM32系統(tǒng)強(qiáng)大的中斷機(jī)制，各模塊如同多線程分布式獨(dú)立工作，可根據(jù)需求將軟件功能獨(dú)立應(yīng)用于各個(gè)模塊的控制，從而使其擁有高度的靈活度，是應(yīng)用于產(chǎn)品智能化的不二之選。而現(xiàn)有的保險(xiǎn)箱幾乎不包括網(wǎng)絡(luò)功能，即使是專業(yè)的保險(xiǎn)箱行業(yè)也是專注箱體架構(gòu)強(qiáng)度，沒有結(jié)合發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)提出安全性能更高的保險(xiǎn)箱，不管是安全性，還是操作性，傳統(tǒng)的保險(xiǎn)箱都不夠理想。而結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的智能保險(xiǎn)箱在一定程度上，成本是更高的，但是安全性和操作性都達(dá)到了全新的高度，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，工業(yè)進(jìn)程的不斷更新，其成本方面將會(huì)在今后不斷降低，越來越為大眾所接受。

本文的目的在于提供一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的智能保險(xiǎn)箱的原理框架與設(shè)計(jì)方案，突破傳統(tǒng)保險(xiǎn)箱設(shè)計(jì)，相對(duì)擁有更高的智能性。

保險(xiǎn)箱系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

構(gòu)成保險(xiǎn)箱的硬件系統(tǒng)包括CPU：STM32F407ZGT6處理器，SIM800C GSM-GPRS模塊（獲取基站定位信息并網(wǎng)絡(luò)上傳阿里云平臺(tái)），LD3320語音識(shí)別模塊，8400mAH帶充電器的鋰電池，5V步進(jìn)電機(jī)，ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，紅外掃描儀（開箱檢測(cè)），矩陣鍵盤模塊（實(shí)現(xiàn)密碼解鎖），盒子儲(chǔ)物箱（演示用），小車底板以及車輪、螺絲釘、銅柱、杜邦線若干用于構(gòu)造保險(xiǎn)箱。除了零件外，需要一部智能Android手機(jī)來運(yùn)行App檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)需要配置好阿里云平臺(tái)相關(guān)設(shè)置，以便定位、開箱數(shù)據(jù)的接收。系統(tǒng)框圖和功能框圖如圖1、圖2所示。

通過GPSR模塊的基站定位，獲取保險(xiǎn)箱的網(wǎng)絡(luò)定位信息。通過紅外掃描儀檢測(cè)保險(xiǎn)箱的開關(guān)狀態(tài)，并將該信息發(fā)送給處理器，處理器再調(diào)用GPSR模塊，將地理位置和開關(guān)狀態(tài)一并發(fā)送到阿里云平臺(tái);通過矩陣鍵盤建立密碼鎖外設(shè)，當(dāng)密碼正確，外部中斷，步進(jìn)電機(jī)工作，打開保險(xiǎn)箱;通過LD3320模塊建立語音識(shí)別，當(dāng)語音信息匹配時(shí)，外部中斷打開，步進(jìn)電機(jī)工作，打開保險(xiǎn)箱;通過Andriod App獲取GPSR上傳的信息，并轉(zhuǎn)換為地圖顯示位置和開關(guān)狀態(tài)提示。

主要功能實(shí)現(xiàn)為軟件硬件獨(dú)立進(jìn)行，軟件負(fù)責(zé)監(jiān)控硬件狀態(tài)，硬件負(fù)責(zé)保險(xiǎn)箱的運(yùn)行。對(duì)密碼鎖進(jìn)行開鎖時(shí)，有兩種開鎖方式，語音識(shí)別與按鍵密碼，當(dāng)成功開鎖時(shí)，觸發(fā)紅外掃描儀，CPU與GPSR模塊通信，Andriod App上會(huì)將關(guān)閉狀態(tài)更改為開鎖狀態(tài)。同時(shí)，App上的保險(xiǎn)箱地理位置會(huì)在地圖上顯示，一旦被移動(dòng)，App上的地理位置將會(huì)隨著移動(dòng)，以便被盜后報(bào)警追回。

保險(xiǎn)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能鎖設(shè)計(jì)

智能鎖開關(guān)由步進(jìn)電機(jī)外部中斷控制，其步進(jìn)電機(jī)外部中斷是由處理器通過串口控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作來實(shí)現(xiàn)的。其外部中斷的途徑有兩種，一種是矩陣鍵盤輸入密碼引起外部中斷;第二種是通過LD3320模塊的語音識(shí)別引起外部中斷。鎖的本身是STM32處理的部分外設(shè)與機(jī)械裝置的結(jié)合，參考圖3智能鎖的說明框圖可知。

矩陣鍵盤開鎖方式為按鍵密碼，語音識(shí)別開鎖方式為語音密碼。

LD3320語音識(shí)別

LD3320模塊是一個(gè)比較完整的模塊，容易嵌入在一些含有串口功能的產(chǎn)品中，雖然是非特定語音識(shí)別，但是也足夠采用比較生僻的語音密碼來防止盜竊，模塊自帶MCU，底層有驅(qū)動(dòng)和生成幀格式通信，具有體積小、反應(yīng)速度快、識(shí)別靈敏、識(shí)別率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)性價(jià)比也非常高。語音識(shí)別結(jié)果直接通過串口輸出，故直接與STM32串口相連，完成語音控制開關(guān)。

紅外掃描儀

本設(shè)計(jì)采用的紅外傳感器沒有特殊要求，市場(chǎng)上也有許多的光敏和紅外傳感器，在這里主要是檢測(cè)是否箱子的頂蓋被打開。

步進(jìn)電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于STM32處理器作為控制處理器，理論上功率不允許直接搭載一個(gè)電機(jī)模塊，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同樣也需要接電源。該部位作為保險(xiǎn)箱的開關(guān)，如圖3所示，由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以將焊接在電機(jī)上的一定長度和強(qiáng)度金屬棒轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使保險(xiǎn)箱在這種機(jī)械結(jié)構(gòu)下，可以開啟箱體。

GPRS模塊

本設(shè)計(jì)采用的是SIM800C GSM-GPRS模塊，GPSR是分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，能提供比GSM網(wǎng)9.6kbit/s更高的數(shù)據(jù)率，采用與GSM相同的頻段，頻帶寬度，突發(fā)結(jié)構(gòu)無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中，GPSR模塊需要另外加電源供電，主要完成功能為與CPU通信，通過MQTT協(xié)議上傳信息至阿里云，為Andriod App調(diào)用。

軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Android Studio、SDK開發(fā)，主要使用了map地圖組件以及串口編程技術(shù)，利用MQTT協(xié)議進(jìn)行云數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收。由于阿里云平臺(tái)是使用固定IP，所設(shè)計(jì)的Andriod App需要使用外網(wǎng)，登陸后臺(tái)，獲取云數(shù)據(jù)。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要以嵌入式技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種結(jié)合STM32、GPRS、步進(jìn)電機(jī)、紅外掃描儀、LD3320等設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)智能保險(xiǎn)箱，極大地加強(qiáng)使用的操作性和安全性，促進(jìn)智能保險(xiǎn)水平的提高，滿足日益增長的安全隱私保險(xiǎn)的需求。

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第一作者：王佳（1997—），廣東揭陽人，學(xué)生，現(xiàn)就讀于佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，主要從事嵌入式方向研究工作。