基于STM32 的智能定位童裝研發

范書樂，史 慧，唐琰琳，黃 卓，牛怡婷

（內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010000）

兒童戶外安全是全社會廣泛關注的問題，兒童走失將會對家庭和社會造成不能補救的傷害[1]。近年來人工智能行業的發展呈快速增長之勢，電子設備的小型化和新型紡織材料的不斷發展，使得將智能元件集成到日常服裝中成為可能，已經有越來越多的兒童智能服裝產品在國內外被陸續研發面世。

智能童裝的功能需求受兒童身心發育程度的影響很大。Adam Jakubas 等[2]研發了一款嵌入內衣可遠程監測嬰幼兒呼吸節律、濕度、體溫、運動活動的融入紡織品結構的傳感器系統，通過獲取生理數據檢測嬰幼兒的生長狀態。Wang Shi 等[3]指出了GPS、WiFi 和Zigbee等技術的優缺點，為定位技術在智能童裝中的應用提供參考。不同的應用場景對定位精準的要求不同，面對兒童走失等遇險情況，定位需求的設計既要隱蔽又要精準。在國內，李儀[4]在材料和面料可持續性的綠色理念下進行了包括FM 嬰兒睡眠監測服、定位防丟童裝以及可調節情緒的心率監測童裝的初步簡單設計，為同類服裝的開發提供參考。吳忻舟等[5]設計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計提供參考。

本研究針對日常生活戶外運動時，3～6 歲幼齡兒童的易動特點，研發了一款具有智能定位及預警功能的童裝馬甲。當兒童遠離時，監護人可以馬上發現并及時做出行動，將兒童外出走丟的風險降到最低。設計案例為兒童定位安全服裝設計提供參考，具有產業化前景，對于幫助兒童健康安全成長也具有重要的社會意義。

1 智能定位童裝系統構建

1.1 定位預警童裝設計方案

根據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育越來越強，逐漸學會了跑、跳等活動[6]，所以這個時期的孩子比較活躍，熱衷于探索外界的新奇事物，開始在家長看護下到處亂跑，但隨時可能離開家長的視線，極易發生走丟事件。幼齡兒童戶外活動大多集中在校園、娛樂場所、往返于家和學校的道路等人員相對密集的場所，由此本文設計了一款具有定位預警功能的智能童裝。兒童穿著此款服裝后，一旦超出與監護人的安全距離，系統的報警模塊立即發出警報信號，并且將兒童的位置信息發送到監護人手機端，實現向監護人快速報警，提高兒童外出活動時的安全性，方便家長監護孩子，有效防止孩子丟失和被拐騙。

1.2 硬件選取

為實現設計目標，智能定位童裝系統首先需要具備信號采集、處理以及反饋的功能，還需要考慮各元件模塊的穩定性和準確性。確定智能定位童裝硬件系統由單片機模塊、位置信息采集模塊、電源模塊、無線傳輸模塊和蜂鳴器報警模塊等組成。利用環境傳感器采集位置信息，單片機對采集的信號進行實時處理和分析判斷，同時驅動無線通信模塊向監護人手機端發送提示短信，完成信息的傳遞，實現家長對兒童的有效監護。系統組成及原理如圖1 所示。

圖1 系統組成及原理

1.2.1 單片機核心處理器——STM32

在智能服裝產品中，單片機模塊是實現其智能功能的關鍵技術之一，在整個服裝硬件系統中起到控制的作用，主要功能是接收和處理傳感器傳輸的信號，并驅動其他元件工作。智能服裝產品是通過硬件與服裝載體相結合形成的，為了保證穿著服裝時的舒適性和美觀性，對芯片的選擇必須適應較高的要求，在滿足功能需求的基礎上，應該盡可能選擇使用體積小、功耗小、成本低的芯片。經綜合考慮后，將STM32 作為主控芯片。STM3 的供電范圍是2.0～3.6V，具有64KB的程序存儲器，還集成著豐富的片內外設[7]。

1.2.2 環境位置傳感器——GPS 模塊

GPS 最初是在軍事領域使用，隨著定位系統技術不斷改進與完善。國家對兒童、婦女、老人等弱勢群體的保護政策逐步完善，定位監護產品必然可以做到質優價廉，走進千家萬戶。本研究選用的SKG09BL 是一個完全的GPS 組件，它具有高靈敏度、低功耗和小型化的特點，其極高的跟蹤靈敏度極大地提高了它的定位范圍準確性，在狹小的都市天空下，或者在茂密的叢林中，都可以進行高精度的定位[8]。

1.2.3 無線通信模塊——GSM 模塊、藍牙

智能定位服裝的定位預警系統GSM 通信模塊選用的是SIM800L 模塊，其應用已較為成熟、完備，應用范圍也相當廣泛，模塊的主要特點是體積小，方便用戶進行生產加工；功耗極低，在待機模式下電流低于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、全速率和增強型速率。GSM 模塊與藍牙模塊配合可實現與監護人手機端的無線通信。

1.2.4 電源模塊——鋰電池

在智能可穿戴產品的開發過程中，電池是一項不可替代的核心技術，電池的質量和體積影響著服裝的舒適性，對電池技術微型化和柔性化進行合理的研究開發，有助于提高智能可穿戴產品的功能運行能力。

1.2.5 警示模塊——蜂鳴器

蜂鳴器的主要作用是提醒和警示，是一種可以發出聲音的裝置，廣泛應用于警報和提醒裝置上，它具有體積小、質量輕、靈敏度高、耗電少等特點。蜂鳴器一般采用直流電源供電，由振動裝置和諧振裝置作用進行發聲。

1.3 硬件設備的電路連接

GPS 模塊、藍牙模塊、GMS 模塊、蜂鳴器和鋰電池都要與STM32 開發板進行電路連接?？梢詫⒏饔布O備在洞洞板上進行路線連接，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采集錯誤。模塊的GND (接地) 端和VCC (電源) 端分別連接單片機的GND 和VCC，GPS 模塊與GMS模塊的RXD和TXD接口與STM32 單片機相連，將2 個模塊的波特率設置為9600[9]。硬件設備電路連接實物圖見圖2。

圖2 硬件設備電路連接實物圖

1.4 系統軟件設計與開發

研發基于STM32、GPS 定位技術和GSM 通信技術等，目標是做到定位和預警。當兒童穿著此款服裝超出安全范圍，即藍牙連接與手機端斷開時，蜂鳴器發出報警聲音，同時家長的手機端將收到一條報警短信，提示家長此時孩子已走遠，并告知家長兒童當前的經緯度位置信息。如果家長未關閉報警，那么GSM模塊將每隔1min 發送一次短信。

STM32F103C8T6 單片機程序的主要任務是接收定位模塊采集的數據并對其進行處理，對藍牙的連接情況進行判斷，命令GSM 通信模塊進行數據的無線傳輸，實現定位、報警、安全范圍預警等功能。其中，單片機的主控制程序，主要是將SIM800L 模塊、IO 口模塊、定時器模塊、藍牙串口模塊、GPS 模塊初始化，使其進入相應的工作狀態，對每個模塊的工作流程進行控制，并協調模塊間的交互關系。

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

2 智能定位預警童裝設計制作

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 型結構。選擇120/56A 的號型進行服裝制作，根據服裝款式圖進行成衣規格設計與計算。制作服裝的成衣規格尺寸見表1，服裝結構圖見圖3。

表1 童裝馬甲120/56A 成衣規格表

圖3 智能定位童裝款式結構設計示意圖

計算衣長L 為L=0.4h-2=46.0cm。計算胸圍B 為B=B*+1（內衣厚度）+26（寬松風格）=83.0cm。計算肩寬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合工藝，本研究設計的智能服裝共有2 種著裝狀態，其成品的細節展示如圖4 所示。背后設計可拆卸的立體口袋，用魔術貼進行固定，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。當不需要使用定位元件時，可將口袋拆下換上卡通圖案魔術貼，如圖4（c）所示。

圖4 智能定位童裝成品細節展示

由于智能硬件模塊的加入，服裝應選擇細膩緊實、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動易使服裝磨損、破洞等問題。色彩在兒童身心發育發展過程中有著極其重要的作用，因此兒童服裝色彩設計上應溫馨、明亮、活潑，同時也要注意降低印染中染色殘留物對兒童的傷害。

3 定位預警功能測試

3.1 測試實驗設計

針對智能定位童裝智能元件系統進行測試，對系統GPS 信息采集精確度和GSM 短信發送及時性進行測試并分析，目的是為了驗證定位安全童裝智能硬件的穩定性和有效性。

對設計的定位系統的經緯度數據采集精確度和穩定性進行靜態測試和動態測試。在內蒙古工業大學、電力大樓廣場、金川文化廣場等3 個點位分別同時讀取模塊處理后傳輸出來的經緯度數據和GPS 測試儀顯示的經緯度數據，并將3 對數據進行誤差計算，完成靜態測試。選取一段大約1km 的路徑，在這段路徑上設定20 個點進行實時移動測試，如圖5 所示。記錄在20 個點位上定位模塊采集到的經緯度數據，將采集到的經度和緯度誤差值進行分析，完成動態測試。

圖5 動態測試路徑點位示意圖

對GSM 短信發送及時性進行測試。將定位童裝中的藍牙模塊與手機端連接斷開，記錄手機端接收到短信所需要的時間，以此分析GSM 模塊報警工作的及時有效性。

對系統報警時刻監護人與兒童之間的距離進行測試。選擇內蒙古工業大學作為測試場地，兒童穿著此智能定位童裝后，安排監護人在固定位置（即手機接收端的位置不變），由另一名監護人陪著兒童向遠離監護人的方向移動，選擇5 個地點作為測試點，測試點距離監護人分別為30、50、70、90、110m，多次實驗記錄蜂鳴器報警、手機端接收到報警短信時的距離。

3.2 結果分析

3.2.1 定位信息采集結果精度分析

靜態定位信息采集測試數據如表2 所示。經度0.000012°誤差為1m，緯度0.000009°誤差為1m，根據經緯度相對誤差公式δ=△/L ×100%，計算得出本研究的定位模塊采集的經緯度相對誤差小于0.01%，相對偏差較小。

表2 靜態定位信息采集測試

采用SPSS 軟件對20 個點位采集到的數據誤差進行正態分析。根據圖6 正態P-P 圖和去趨勢正態P-P圖可以大致看出數據集中在期望值附近，且去趨勢正態P-P 圖中殘缺絕對值均小于0.10，所以數據符合正態分布，差異可以忽略，即在測試場地上定位元件的經緯度動態采集是相對穩定的，不會有忽大忽小的誤差跳動。

圖6 誤差值在SPSS 中的正態分析示意圖

3.2.2 GSM 報警模塊及時有效性分析

當兒童離開監護人（手機端）達到一定距離后藍牙便斷開連接，蜂鳴器隨即發出報警聲。經多次試驗證明，在3s 內系統就能夠發送1 條報警信息到監護人的手機上。測試結果表明本文設計的無線通信模塊性能良好，能夠及時給家長手機發送信息實現提醒預警功能。手機端接收GSM 報警信息界面見圖7。

圖7 手機端接收GSM 報警信息界面

3.2.3 成衣報警發生距離分析

5 名兒童穿著智能服裝依次前往各個測試點，分別記錄到達各個地點后的報警情況。多組測試結果表明，當兒童超出監護人（手機端）70～90m，藍牙與手機連接斷開后，定位童裝系統中的蜂鳴器響起，手機端立即收到報警信息。

根據測試結果，系統實現了預設的功能，符合家長對3～6 歲幼兒的近場監護需求，本研究設計開發的智能服裝在日常生活兒童智能監護中具有一定的可靠性和實用性。

4 結語

基于STM32、GPS 和藍牙無線通訊等技術建立了兒童定位預警系統，并將其與服裝有機結合，研發了一款針對3～6 歲幼兒穿著的智能定位童裝。實驗測試結果表明，定位模塊靜態采集的經緯度相對誤差小于0.01%，相對偏差較小，模塊經緯度動態采集也比較穩定；系統接入的通信模塊性能良好，當藍牙斷開后能夠在3s 內發送報警信息到目標手機。最終的成品可以達到當兒童超出監護人手機端70～90m 后及時報警的需求。雖然研究初步實現了智能定位童裝的部分功能，但也出現一些問題和不足，有待于今后進一步改善。智能元件目前還都是以電子硬件設備為主，且電路設計較為僵硬和大型，對服裝舒適性有著較大的影響，后續可以將模塊和功能的集成度提升，以達到整個電路系統的微型化。隨著電子柔性化發展，智能元件的僵硬感將會得到改善，服裝的著裝舒適性也將進一步提升。