基于STM32 的智能定位童裝研發(fā)

范書樂，史 慧，唐琰琳，黃 卓，牛怡婷

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

兒童戶外安全是全社會(huì)廣泛關(guān)注的問題，兒童走失將會(huì)對(duì)家庭和社會(huì)造成不能補(bǔ)救的傷害[1]。近年來人工智能行業(yè)的發(fā)展呈快速增長之勢(shì)，電子設(shè)備的小型化和新型紡織材料的不斷發(fā)展，使得將智能元件集成到日常服裝中成為可能，已經(jīng)有越來越多的兒童智能服裝產(chǎn)品在國內(nèi)外被陸續(xù)研發(fā)面世。

智能童裝的功能需求受兒童身心發(fā)育程度的影響很大。Adam Jakubas 等[2]研發(fā)了一款嵌入內(nèi)衣可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)嬰幼兒呼吸節(jié)律、濕度、體溫、運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的融入紡織品結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)，通過獲取生理數(shù)據(jù)檢測(cè)嬰幼兒的生長狀態(tài)。Wang Shi 等[3]指出了GPS、WiFi 和Zigbee等技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為定位技術(shù)在智能童裝中的應(yīng)用提供參考。不同的應(yīng)用場景對(duì)定位精準(zhǔn)的要求不同，面對(duì)兒童走失等遇險(xiǎn)情況，定位需求的設(shè)計(jì)既要隱蔽又要精準(zhǔn)。在國內(nèi)，李儀[4]在材料和面料可持續(xù)性的綠色理念下進(jìn)行了包括FM 嬰兒睡眠監(jiān)測(cè)服、定位防丟童裝以及可調(diào)節(jié)情緒的心率監(jiān)測(cè)童裝的初步簡單設(shè)計(jì)，為同類服裝的開發(fā)提供參考。吳忻舟等[5]設(shè)計(jì)了具有防走失和溺水救生功能的自閉癥兒童智能服裝，為特殊兒童智能服裝的設(shè)計(jì)提供參考。

本研究針對(duì)日常生活戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)，3～6 歲幼齡兒童的易動(dòng)特點(diǎn)，研發(fā)了一款具有智能定位及預(yù)警功能的童裝馬甲。當(dāng)兒童遠(yuǎn)離時(shí)，監(jiān)護(hù)人可以馬上發(fā)現(xiàn)并及時(shí)做出行動(dòng)，將兒童外出走丟的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。設(shè)計(jì)案例為兒童定位安全服裝設(shè)計(jì)提供參考，具有產(chǎn)業(yè)化前景，對(duì)于幫助兒童健康安全成長也具有重要的社會(huì)意義。

1 智能定位童裝系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 定位預(yù)警童裝設(shè)計(jì)方案

根據(jù)使用場景和需求提出功能與要求。3～6 歲的幼齡兒童肢體力量發(fā)育越來越強(qiáng)，逐漸學(xué)會(huì)了跑、跳等活動(dòng)[6]，所以這個(gè)時(shí)期的孩子比較活躍，熱衷于探索外界的新奇事物，開始在家長看護(hù)下到處亂跑，但隨時(shí)可能離開家長的視線，極易發(fā)生走丟事件。幼齡兒童戶外活動(dòng)大多集中在校園、娛樂場所、往返于家和學(xué)校的道路等人員相對(duì)密集的場所，由此本文設(shè)計(jì)了一款具有定位預(yù)警功能的智能童裝。兒童穿著此款服裝后，一旦超出與監(jiān)護(hù)人的安全距離，系統(tǒng)的報(bào)警模塊立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并且將兒童的位置信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)向監(jiān)護(hù)人快速報(bào)警，提高兒童外出活動(dòng)時(shí)的安全性，方便家長監(jiān)護(hù)孩子，有效防止孩子丟失和被拐騙。

1.2 硬件選取

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，智能定位童裝系統(tǒng)首先需要具備信號(hào)采集、處理以及反饋的功能，還需要考慮各元件模塊的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。確定智能定位童裝硬件系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、位置信息采集模塊、電源模塊、無線傳輸模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊等組成。利用環(huán)境傳感器采集位置信息，單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析判斷，同時(shí)驅(qū)動(dòng)無線通信模塊向監(jiān)護(hù)人手機(jī)端發(fā)送提示短信，完成信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)家長對(duì)兒童的有效監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)組成及原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成及原理

1.2.1 單片機(jī)核心處理器——STM32

在智能服裝產(chǎn)品中，單片機(jī)模塊是實(shí)現(xiàn)其智能功能的關(guān)鍵技術(shù)之一，在整個(gè)服裝硬件系統(tǒng)中起到控制的作用，主要功能是接收和處理傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，并驅(qū)動(dòng)其他元件工作。智能服裝產(chǎn)品是通過硬件與服裝載體相結(jié)合形成的，為了保證穿著服裝時(shí)的舒適性和美觀性，對(duì)芯片的選擇必須適應(yīng)較高的要求，在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡可能選擇使用體積小、功耗小、成本低的芯片。經(jīng)綜合考慮后，將STM32 作為主控芯片。STM3 的供電范圍是2.0～3.6V，具有64KB的程序存儲(chǔ)器，還集成著豐富的片內(nèi)外設(shè)[7]。

1.2.2 環(huán)境位置傳感器——GPS 模塊

GPS 最初是在軍事領(lǐng)域使用，隨著定位系統(tǒng)技術(shù)不斷改進(jìn)與完善。國家對(duì)兒童、婦女、老人等弱勢(shì)群體的保護(hù)政策逐步完善，定位監(jiān)護(hù)產(chǎn)品必然可以做到質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，走進(jìn)千家萬戶。本研究選用的SKG09BL 是一個(gè)完全的GPS 組件，它具有高靈敏度、低功耗和小型化的特點(diǎn)，其極高的跟蹤靈敏度極大地提高了它的定位范圍準(zhǔn)確性，在狹小的都市天空下，或者在茂密的叢林中，都可以進(jìn)行高精度的定位[8]。

1.2.3 無線通信模塊——GSM 模塊、藍(lán)牙

智能定位服裝的定位預(yù)警系統(tǒng)GSM 通信模塊選用的是SIM800L 模塊，其應(yīng)用已較為成熟、完備，應(yīng)用范圍也相當(dāng)廣泛，模塊的主要特點(diǎn)是體積小，方便用戶進(jìn)行生產(chǎn)加工；功耗極低，在待機(jī)模式下電流低于18mA，在睡眠模式下低于2mA，支持頻段為GSM/GPRS900/1800 MHz，語音編碼支持半速率、全速率和增強(qiáng)型速率。GSM 模塊與藍(lán)牙模塊配合可實(shí)現(xiàn)與監(jiān)護(hù)人手機(jī)端的無線通信。

1.2.4 電源模塊——鋰電池

在智能可穿戴產(chǎn)品的開發(fā)過程中，電池是一項(xiàng)不可替代的核心技術(shù)，電池的質(zhì)量和體積影響著服裝的舒適性，對(duì)電池技術(shù)微型化和柔性化進(jìn)行合理的研究開發(fā)，有助于提高智能可穿戴產(chǎn)品的功能運(yùn)行能力。

1.2.5 警示模塊——蜂鳴器

蜂鳴器的主要作用是提醒和警示，是一種可以發(fā)出聲音的裝置，廣泛應(yīng)用于警報(bào)和提醒裝置上，它具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、耗電少等特點(diǎn)。蜂鳴器一般采用直流電源供電，由振動(dòng)裝置和諧振裝置作用進(jìn)行發(fā)聲。

1.3 硬件設(shè)備的電路連接

GPS 模塊、藍(lán)牙模塊、GMS 模塊、蜂鳴器和鋰電池都要與STM32 開發(fā)板進(jìn)行電路連接。可以將各硬件設(shè)備在洞洞板上進(jìn)行路線連接，將模塊集中在一塊固定位置，避免雜亂的杜邦線松脫造成信號(hào)采集錯(cuò)誤。模塊的GND (接地) 端和VCC (電源) 端分別連接單片機(jī)的GND 和VCC，GPS 模塊與GMS模塊的RXD和TXD接口與STM32 單片機(jī)相連，將2 個(gè)模塊的波特率設(shè)置為9600[9]。硬件設(shè)備電路連接實(shí)物圖見圖2。

圖2 硬件設(shè)備電路連接實(shí)物圖

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

研發(fā)基于STM32、GPS 定位技術(shù)和GSM 通信技術(shù)等，目標(biāo)是做到定位和預(yù)警。當(dāng)兒童穿著此款服裝超出安全范圍，即藍(lán)牙連接與手機(jī)端斷開時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)家長的手機(jī)端將收到一條報(bào)警短信，提示家長此時(shí)孩子已走遠(yuǎn)，并告知家長兒童當(dāng)前的經(jīng)緯度位置信息。如果家長未關(guān)閉報(bào)警，那么GSM模塊將每隔1min 發(fā)送一次短信。

STM32F103C8T6 單片機(jī)程序的主要任務(wù)是接收定位模塊采集的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)藍(lán)牙的連接情況進(jìn)行判斷，命令GSM 通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)定位、報(bào)警、安全范圍預(yù)警等功能。其中，單片機(jī)的主控制程序，主要是將SIM800L 模塊、IO 口模塊、定時(shí)器模塊、藍(lán)牙串口模塊、GPS 模塊初始化，使其進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，對(duì)每個(gè)模塊的工作流程進(jìn)行控制，并協(xié)調(diào)模塊間的交互關(guān)系。

通過Keil5 軟件對(duì)STM32 系列的芯片進(jìn)行具體程序的開發(fā)、編譯、仿真。編譯生成的HEX 文件最終需載入目標(biāo)芯片，結(jié)合硬件完成相應(yīng)的功能。載入可以通過JLINK 下載和串口下載這2 種方式進(jìn)行。

2 智能定位預(yù)警童裝設(shè)計(jì)制作

本研究選擇制作的智能定位童裝款式為簡潔大方的兒童工裝馬甲，采取的是松身廓形的H 型結(jié)構(gòu)。選擇120/56A 的號(hào)型進(jìn)行服裝制作，根據(jù)服裝款式圖進(jìn)行成衣規(guī)格設(shè)計(jì)與計(jì)算。制作服裝的成衣規(guī)格尺寸見表1，服裝結(jié)構(gòu)圖見圖3。

表1 童裝馬甲120/56A 成衣規(guī)格表

圖3 智能定位童裝款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

計(jì)算衣長L 為L=0.4h-2=46.0cm。計(jì)算胸圍B 為B=B*+1（內(nèi)衣厚度）+26（寬松風(fēng)格）=83.0cm。計(jì)算肩寬S 為S=0.3B+11.5=36.5cm（取整至0.5cm）。

考慮到服裝的洗滌和充電問題，元件和童裝采用可拆卸的結(jié)合工藝，本研究設(shè)計(jì)的智能服裝共有2 種著裝狀態(tài)，其成品的細(xì)節(jié)展示如圖4 所示。背后設(shè)計(jì)可拆卸的立體口袋，用魔術(shù)貼進(jìn)行固定，如圖4（b）所示，將所有的電子元器件放置在后背的立體的口袋中。當(dāng)不需要使用定位元件時(shí)，可將口袋拆下?lián)Q上卡通圖案魔術(shù)貼，如圖4（c）所示。

圖4 智能定位童裝成品細(xì)節(jié)展示

由于智能硬件模塊的加入，服裝應(yīng)選擇細(xì)膩緊實(shí)、硬挺耐磨的面料，以較好地承受電子元器件的重量并將其隱藏，從而較大程度解決兒童日常玩耍運(yùn)動(dòng)易使服裝磨損、破洞等問題。色彩在兒童身心發(fā)育發(fā)展過程中有著極其重要的作用，因此兒童服裝色彩設(shè)計(jì)上應(yīng)溫馨、明亮、活潑，同時(shí)也要注意降低印染中染色殘留物對(duì)兒童的傷害。

3 定位預(yù)警功能測(cè)試

3.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)智能定位童裝智能元件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)GPS 信息采集精確度和GSM 短信發(fā)送及時(shí)性進(jìn)行測(cè)試并分析，目的是為了驗(yàn)證定位安全童裝智能硬件的穩(wěn)定性和有效性。

對(duì)設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)采集精確度和穩(wěn)定性進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)、電力大樓廣場、金川文化廣場等3 個(gè)點(diǎn)位分別同時(shí)讀取模塊處理后傳輸出來的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和GPS 測(cè)試儀顯示的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并將3 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，完成靜態(tài)測(cè)試。選取一段大約1km 的路徑，在這段路徑上設(shè)定20 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)測(cè)試，如圖5 所示。記錄在20 個(gè)點(diǎn)位上定位模塊采集到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將采集到的經(jīng)度和緯度誤差值進(jìn)行分析，完成動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖5 動(dòng)態(tài)測(cè)試路徑點(diǎn)位示意圖

對(duì)GSM 短信發(fā)送及時(shí)性進(jìn)行測(cè)試。將定位童裝中的藍(lán)牙模塊與手機(jī)端連接斷開，記錄手機(jī)端接收到短信所需要的時(shí)間，以此分析GSM 模塊報(bào)警工作的及時(shí)有效性。

對(duì)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)刻監(jiān)護(hù)人與兒童之間的距離進(jìn)行測(cè)試。選擇內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)作為測(cè)試場地，兒童穿著此智能定位童裝后，安排監(jiān)護(hù)人在固定位置（即手機(jī)接收端的位置不變），由另一名監(jiān)護(hù)人陪著兒童向遠(yuǎn)離監(jiān)護(hù)人的方向移動(dòng)，選擇5 個(gè)地點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)距離監(jiān)護(hù)人分別為30、50、70、90、110m，多次實(shí)驗(yàn)記錄蜂鳴器報(bào)警、手機(jī)端接收到報(bào)警短信時(shí)的距離。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 定位信息采集結(jié)果精度分析

靜態(tài)定位信息采集測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。經(jīng)度0.000012°誤差為1m，緯度0.000009°誤差為1m，根據(jù)經(jīng)緯度相對(duì)誤差公式δ=△/L ×100%，計(jì)算得出本研究的定位模塊采集的經(jīng)緯度相對(duì)誤差小于0.01%，相對(duì)偏差較小。

表2 靜態(tài)定位信息采集測(cè)試

采用SPSS 軟件對(duì)20 個(gè)點(diǎn)位采集到的數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行正態(tài)分析。根據(jù)圖6 正態(tài)P-P 圖和去趨勢(shì)正態(tài)P-P圖可以大致看出數(shù)據(jù)集中在期望值附近，且去趨勢(shì)正態(tài)P-P 圖中殘缺絕對(duì)值均小于0.10，所以數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，差異可以忽略，即在測(cè)試場地上定位元件的經(jīng)緯度動(dòng)態(tài)采集是相對(duì)穩(wěn)定的，不會(huì)有忽大忽小的誤差跳動(dòng)。

圖6 誤差值在SPSS 中的正態(tài)分析示意圖

3.2.2 GSM 報(bào)警模塊及時(shí)有效性分析

當(dāng)兒童離開監(jiān)護(hù)人（手機(jī)端）達(dá)到一定距離后藍(lán)牙便斷開連接，蜂鳴器隨即發(fā)出報(bào)警聲。經(jīng)多次試驗(yàn)證明，在3s 內(nèi)系統(tǒng)就能夠發(fā)送1 條報(bào)警信息到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上。測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊性能良好，能夠及時(shí)給家長手機(jī)發(fā)送信息實(shí)現(xiàn)提醒預(yù)警功能。手機(jī)端接收GSM 報(bào)警信息界面見圖7。

圖7 手機(jī)端接收GSM 報(bào)警信息界面

3.2.3 成衣報(bào)警發(fā)生距離分析

5 名兒童穿著智能服裝依次前往各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別記錄到達(dá)各個(gè)地點(diǎn)后的報(bào)警情況。多組測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)兒童超出監(jiān)護(hù)人（手機(jī)端）70～90m，藍(lán)牙與手機(jī)連接斷開后，定位童裝系統(tǒng)中的蜂鳴器響起，手機(jī)端立即收到報(bào)警信息。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的功能，符合家長對(duì)3～6 歲幼兒的近場監(jiān)護(hù)需求，本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的智能服裝在日常生活兒童智能監(jiān)護(hù)中具有一定的可靠性和實(shí)用性。

4 結(jié)語

基于STM32、GPS 和藍(lán)牙無線通訊等技術(shù)建立了兒童定位預(yù)警系統(tǒng)，并將其與服裝有機(jī)結(jié)合，研發(fā)了一款針對(duì)3～6 歲幼兒穿著的智能定位童裝。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，定位模塊靜態(tài)采集的經(jīng)緯度相對(duì)誤差小于0.01%，相對(duì)偏差較小，模塊經(jīng)緯度動(dòng)態(tài)采集也比較穩(wěn)定；系統(tǒng)接入的通信模塊性能良好，當(dāng)藍(lán)牙斷開后能夠在3s 內(nèi)發(fā)送報(bào)警信息到目標(biāo)手機(jī)。最終的成品可以達(dá)到當(dāng)兒童超出監(jiān)護(hù)人手機(jī)端70～90m 后及時(shí)報(bào)警的需求。雖然研究初步實(shí)現(xiàn)了智能定位童裝的部分功能，但也出現(xiàn)一些問題和不足，有待于今后進(jìn)一步改善。智能元件目前還都是以電子硬件設(shè)備為主，且電路設(shè)計(jì)較為僵硬和大型，對(duì)服裝舒適性有著較大的影響，后續(xù)可以將模塊和功能的集成度提升，以達(dá)到整個(gè)電路系統(tǒng)的微型化。隨著電子柔性化發(fā)展，智能元件的僵硬感將會(huì)得到改善，服裝的著裝舒適性也將進(jìn)一步提升。