基于STM32 平臺(tái)的校園智能電子學(xué)生筆記本的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚曉英，熊星源，秦夢(mèng)文，張雅璐，周 捷，朱孟春，龍 慧

（長(zhǎng)沙師范學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 400100）

0 引 言

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32 平臺(tái)的校園智能電子學(xué)生筆記本，該筆記本通過終端設(shè)備對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一信息管理，教師和家長(zhǎng)可通過使用對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁端、客戶端等查看學(xué)生的日常信息，如考勤情況、學(xué)習(xí)進(jìn)度等。該智能電子筆記本的使用促進(jìn)了校園管理智能化、校園生活一體化、校園設(shè)施數(shù)字化、課堂教學(xué)生動(dòng)化、家校溝通無縫化的實(shí)現(xiàn)[1-2]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的智能電子學(xué)生筆記本具有便捷測(cè)溫、GPS 定位、親情通話、校園考勤等功能。按照智能電子學(xué)生筆記本所需功能，把系統(tǒng)分為主控芯片、顯示模塊、溫度傳感器模塊、北斗GPS 模塊、4G 通信模塊和IC 卡感應(yīng)模塊，分別實(shí)現(xiàn)主控功能、顯示數(shù)據(jù)功能、便捷測(cè)溫功能、GPS 定位功能、親情通話功能和校園考勤功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 智能電子學(xué)生筆記本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

本設(shè)計(jì)選用的主控芯片如圖2 所示。采用STM32F103C8型芯片[3]作為本次設(shè)計(jì)的內(nèi)核。STM32F103C8 用于處理外設(shè)采集的信息，并對(duì)外部連接設(shè)備進(jìn)行控制，完成各芯片間的通信。本系統(tǒng)將STM32 的I/O 口與顯示模塊連接，使用單總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)STM32 和外設(shè)溫度傳感器的通信，將讀取的溫度信息傳至顯示模塊；STM32 從串口獲取GPS 定位信息，再通過串口傳送信息至上位機(jī)；STM32 的映射端口與4G 通信模塊連接，實(shí)現(xiàn)通話功能。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 顯示模塊

智能學(xué)生電子筆記本需要顯示通過STM32 采集的溫度信息和IC 卡信息，故選用OLED 模塊。OLED 顯示模塊采用ATK-0.96’OLED，該OLED 模塊提供了4 種接口方式，其中，I2C 接口模式只需使模塊的BS1 接高電平，使BS2 接地即可，僅需2 根線便可控制OLED，故選擇I2C 接口模式。OLED 電路和接線圖如圖3、圖4 所示。

圖3 ATK-0.96’OLED 電路

圖4 ATK-0.96’OLED 接線圖

2.3 便捷測(cè)溫模塊

測(cè)溫模塊選用DS18B20 溫度傳感器[4]，模塊電路如圖5所示。芯片主要分為讀寫時(shí)序兩個(gè)部分，1 時(shí)段和9 時(shí)段負(fù)責(zé)寫入讀入?？刂破魍ㄟ^I/O 口向DS18B20 芯片寫入1/0 時(shí)段，在每個(gè)時(shí)段添加延時(shí)并進(jìn)行初始化，初始化的完成需由主控制器拉低總線，在控制器初始化寫時(shí)段后，DS18B20 將在15 μs 至 60 μs 的時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)總線采樣。如果總線在采樣窗口期間為高電平，則邏輯1 被寫入DS18B20；若總線為低電平，則邏輯0 被寫入DS18B20。

圖5 DS18B20 模塊電路

2.4 北斗GPS 模塊

根據(jù)學(xué)生的安全需求，在此產(chǎn)品中加入北斗GPS 模塊實(shí)現(xiàn)定位功能。北斗GPS 模塊選用ATK-S1216F8-BD 型號(hào)的GPS 北斗模塊[5-6]，該模塊是一款高性能芯片，其靈敏度高，測(cè)量輸出的范圍廣，且支持串口操作，可通過連接串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，內(nèi)部自帶FLASH。本文主要通過STM32 單片機(jī)控制北斗GPS 模塊芯片，電源采用3.3 V 或5 V，滿足單片機(jī)的要求。模塊原理如圖6 所示。

圖6 ATK-S1216F8-BD 模塊電路

2.5 4G 通信模塊

考慮到學(xué)生在不帶手機(jī)的情況下存在與家長(zhǎng)聯(lián)系的需求，故本產(chǎn)品添加了4G 通信模塊，方便使用者通過按鍵撥打、接聽和掛斷電話。選用的ATK-GM510 模塊采用高新興物GM510C2E_L，4 模13 頻LTE 制式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信模組，其支持移動(dòng)2G/3G/4G，聯(lián)通3G/4G，電信4G，板載3.5 mm 耳機(jī)和麥克風(fēng)座，連接有線耳機(jī)即可通話。模塊電路如圖7 所示。

圖7 4G 通信模塊電路

ATK-GM510 模塊的IXD 與STM32 的引腳PB11 相連，接線圖如圖8 所示。RXD 與STM32 的引腳PB10 相連，電源輸入接口連接電源，GND 接地，SIM 卡座插入電話卡，主天線接口連接外部天線。

圖8 引腳接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為四大部分：

（1）第一部分為IC 卡感應(yīng)模塊，其用于獲取IC 卡信息，并將其反饋到單片機(jī)，再傳送信息至顯示屏。

（2）第二部分為便捷測(cè)溫模塊，其用于采集溫度信息，再傳送信息至顯示屏。

（3）第三部分為GPS 定位模塊，其用于獲取位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，上傳數(shù)據(jù)到地圖并顯示。

（4）第四部分為4G 通話模塊，其用于完成等待電話信號(hào)，執(zhí)行撥打、接通和掛斷等操作。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)圖

3.1 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

顯示模塊用于顯示獲取的溫度數(shù)據(jù)和IC 卡數(shù)據(jù)。寫顯示模塊的代碼，在main 函數(shù)中，無論是刷卡模塊還是溫度模塊均可調(diào)用顯示模塊的代碼，把數(shù)據(jù)顯示在顯示屏。首先，設(shè)置STM32 與顯示模塊連接的I/O，對(duì)I/O 口進(jìn)行初始化，本文使用宏定義OLED_MODE 設(shè)置I/O 口為開漏模式，SCL、SDA 引腳均設(shè)置為開漏模式，將I2C 設(shè)置為快捷模式。然后，初始化OLED，初始化代碼使用模塊自帶的默認(rèn)初始化參數(shù)。最后，完成的函數(shù)包括：OLED_SetPos（設(shè)置光標(biāo)）、OLED_Fill（填充整個(gè)屏幕）、OLED_CLS（清屏）、OLED_ON（將OLED 從休眠狀態(tài)喚醒）、OLED_OFF（OLED 休眠）、OLED_ShowStr（顯示字符串）、OLED_ShowCN（在OLED上顯示中文）、OLED_ShowInt（顯示6×8 或8×16 的5 位整數(shù)）[7-8]。

顯示模塊主要代碼如下所示：

3.2 便捷測(cè)溫軟件

便捷測(cè)溫模塊的功能是獲取人體表面的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)DS18B20 數(shù)據(jù)手冊(cè)，使用單總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)STM32 與外部溫度傳感器的通信。復(fù)位DS18B20，開機(jī)時(shí)先檢測(cè)DS18B20是否存在，如果不存在，提示錯(cuò)誤。如果發(fā)現(xiàn)了DS18B20，硬件按照單總線操作時(shí)序讀取DS18B20 的溫度值，然后通過DS18B20_Get_Temp 函數(shù)讀取DS18B20 中的溫度，程序每隔約100 ms 讀取一次數(shù)據(jù)，并把溫度顯示在顯示屏上。溫度檢測(cè)流程如圖10 所示。

圖10 溫度檢測(cè)流程

DS18B20 主要代碼如下所示：

3.3 北斗GPS 軟件設(shè)計(jì)

北斗GPS模塊流程如圖11所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先初始化，判斷是否為數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位，若檢測(cè)到數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位則解碼北斗時(shí)間后編碼，顯示當(dāng)前狀態(tài)[9-10]。

圖11 GPS 工作流程

北斗GPS 模塊用于獲取定位數(shù)據(jù)。NMEA-0183 數(shù)據(jù)解析部分利用數(shù)逗號(hào)的方法進(jìn)行解析。模塊自帶默認(rèn)設(shè)置的SkyTraq 協(xié)議控制部分。在main 函數(shù)中，先初始化硬件，再通過SkyTra_Cfg_Rate 函數(shù)判斷GPS 模塊是否在位，若不在位，便修改模塊的波特率，直到函數(shù)檢測(cè)到模塊在位。隨后，函數(shù)進(jìn)入死循環(huán)，等待串口2 接收GPS 數(shù)據(jù)，接收到GPS模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并執(zhí)行數(shù)據(jù)解析操作，解析完后顯示GPS 定位數(shù)據(jù)。北斗GPS 模塊主要代碼如下所示：

3.4 4G 通信軟件設(shè)計(jì)

4G 通話模塊的功能通過電話卡實(shí)現(xiàn)，程序流程如圖12所示。本模塊首先在led.c 和led.h 中宏定義兩個(gè)按鍵，分別用于撥通電話和掛斷電話。在main 函數(shù)中初始化兩個(gè)按鍵，兩個(gè)按鍵均處于空閑狀態(tài)。當(dāng)按鍵1 被按下，判斷是否檢測(cè)到電話，若未檢測(cè)到電話，則撥通設(shè)置好的電話號(hào)碼，并將號(hào)碼顯示在顯示屏上；如果檢測(cè)到電話，則執(zhí)行接聽電話的操作。按鍵2 被按下，掛斷電話。

圖12 4G 通話流程

4 結(jié) 語

該文基于STM32F103C8 單片機(jī)研制了一種智能電子學(xué)生筆記本。該應(yīng)用是一款符合教育發(fā)展、學(xué)校管理、安全便捷理念的一卡通智能電子學(xué)生筆記本，是貼合校園中小學(xué)學(xué)生、家長(zhǎng)、教師、學(xué)校需求的智慧校園綜合體。