河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 iii2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求多功能學(xué)生書包系統(tǒng)的功能要求主要圍繞兒童安全防護(hù)與監(jiān)控展開。系統(tǒng)需具備精確定位功能，通過GPS模塊獲取地理位置信息，在開闊環(huán)境下定位精度不低于5米，冷啟動時間不超過60秒，使家長能實(shí)時查看孩子位置并記錄活動軌跡。防溺水功能作為核心安全保障，要求系統(tǒng)能通過高靈敏度壓力傳感器準(zhǔn)確檢測水壓變化，在意外落水時迅速觸發(fā)充氣氣囊，氣囊需在2秒內(nèi)完成充氣，提供足夠浮力支撐40kg以上兒童體重。火災(zāi)檢測功能需能在70厘米范圍內(nèi)有效識別5×5厘米以上的明火，發(fā)出不低于80分貝的警報(bào)聲并向監(jiān)護(hù)人發(fā)送警告信息。云平臺數(shù)據(jù)交互功能要求系統(tǒng)將位置、狀態(tài)等信息上傳至服務(wù)器，正常狀態(tài)下每60秒傳輸一次，緊急狀態(tài)下提高到每10秒一次。系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)長期存儲與分析，提供活動規(guī)律統(tǒng)計(jì)和異常行為識別等功能。一鍵求助功能需設(shè)計(jì)為防誤觸結(jié)構(gòu)，在緊急情況下通過醒目的獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)一鍵呼叫，立即撥打預(yù)設(shè)監(jiān)護(hù)人電話并發(fā)送包含位置信息的求助短信。系統(tǒng)還需支持電子圍欄功能，允許監(jiān)護(hù)人通過云平臺設(shè)定安全活動范圍，當(dāng)超出預(yù)設(shè)范圍時自動預(yù)警。顯示屏需清晰顯示時間、位置坐標(biāo)和系統(tǒng)狀態(tài)等關(guān)鍵信息，屏幕亮度應(yīng)適應(yīng)不同光線環(huán)境。系統(tǒng)需具備低功耗特性，標(biāo)準(zhǔn)配置下電池續(xù)航時間不低于48小時，支持USB充電和低電量提醒；操作簡便性，核心功能操作步驟不超過2步，適合兒童使用；結(jié)構(gòu)緊湊性，總重量不超過200克，不影響書包正常功能；運(yùn)行穩(wěn)定性，關(guān)鍵功能模塊失效率控制在萬分之一以下，支持7×24小時持續(xù)工作；以及環(huán)境適應(yīng)性，工作溫度范圍-10℃至50℃，防水防塵等級不低于IP54標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)兒童日?；顒迎h(huán)境需求。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)功能要求，本系統(tǒng)采用集中式控制架構(gòu)，以單片機(jī)為核心控制器，整合多種傳感器和通信模塊。系統(tǒng)分為輸入、處理和輸出三部分。輸入部分包含GPS模塊、兩個薄膜壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱酮?dú)立按鍵，分別用于獲取位置信息、檢測水壓變化、識別火源和緊急呼叫。處理部分由單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理與決策。輸出部分包括顯示模塊、4G通信模塊、繼電器模塊和蜂鳴器，分別用于信息顯示、數(shù)據(jù)傳輸、控制氣囊和聲音報(bào)警。系統(tǒng)工作流程為：單片機(jī)通過傳感器持續(xù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測到危險(xiǎn)情況(水壓變化或火源)，立即觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制(充氣氣囊或報(bào)警器)；GPS模塊持續(xù)獲取位置信息；4G模塊定期將數(shù)據(jù)上傳至云平臺；顯示屏實(shí)時顯示系統(tǒng)狀態(tài)和位置信息；緊急按鍵提供一鍵求助功能。該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了對兒童的全面安全保障，構(gòu)建了一個完整的安全監(jiān)測與應(yīng)急處理系統(tǒng)。圖2.1硬件模塊工作框圖2.3元器件選型2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC89C52單片機(jī)是一款基于80C51核心的8位微控制器，具有4KBFlash存儲器和256BRAM。該方案優(yōu)勢在于成本低廉，約15元左右；開發(fā)環(huán)境成熟，資料豐富；功耗較低，適合電池供電；指令集簡單，上手容易。然而，STC89C52的處理速度較慢，主頻僅12MHz；外設(shè)接口有限，僅有簡單的串口和I/O口；存儲空間小，難以支持復(fù)雜程序；缺乏硬件乘法器和高級定時器，計(jì)算能力受限。方案二：STM32F103單片機(jī)是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，具有64KBFlash和20KBSRAM。該方案處理能力強(qiáng)大，主頻高達(dá)72MHz，執(zhí)行效率是STC89C52的數(shù)十倍；外設(shè)豐富，包含多個UART、SPI、I2C接口，便于連接多種模塊；資源充足，擁有多通道ADC和DMA控制器；存儲空間大，支持復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)。盡管STM32F103成本較高，約30元，且開發(fā)難度略大，但考慮到系統(tǒng)需整合多種功能模塊，需要處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，并要求實(shí)時響應(yīng)，最終選擇了STM32F103作為系統(tǒng)的控制核心。2.3.2通信模塊的選型方案一：Wi-Fi模塊ESP8266是一款集成TCP/IP協(xié)議棧的無線通信模塊，成本約20元。該方案傳輸速度快，最高可達(dá)54Mbps；功耗較低，待機(jī)電流小于1mA；開發(fā)資源豐富，社區(qū)活躍。但ESP8266存在通信距離有限，僅百米范圍；依賴Wi-Fi環(huán)境，戶外使用受限；連接穩(wěn)定性不足，容易斷連；功能相對單一，主要提供數(shù)據(jù)傳輸。方案二：4G模塊ML307R是一款支持全網(wǎng)通的蜂窩通信模塊，成本約80元。該方案覆蓋范圍廣，無需依賴固定網(wǎng)絡(luò)；穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)；通信延遲低，適合實(shí)時監(jiān)控；功能全面，支持語音通話和數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)是功耗較高，工作電流可達(dá)200mA；成本較高，包括模塊和流量費(fèi)用；接口復(fù)雜度高，開發(fā)難度略大?？紤]到書包使用場景多樣，包括戶外無Wi-Fi環(huán)境，且需要實(shí)時可靠的數(shù)據(jù)傳輸和通話功能，最終選擇了ML307R4G模塊作為通信方案。2.3.3顯示模塊的選型方案一：LCD1602是一種字符型液晶顯示器，具有16列2行顯示能力，成本約10元。優(yōu)點(diǎn)包括成本低廉，易于采購；功耗較低，約2mA工作電流；接口簡單，8位并行或4位并行控制；驅(qū)動程序成熟。缺點(diǎn)則是顯示內(nèi)容有限，只能顯示16×2個字符；無法顯示圖形或中文；對比度受視角影響大；占用I/O口較多，一般需要7-11個引腳。方案二：OLED顯示屏是一種自發(fā)光有機(jī)顯示器，具有128×64像素分辨率，成本約25元。該方案具備高對比度，顯示效果清晰；視角寬，幾乎全方位可見；響應(yīng)速度快，無殘影；I2C接口僅需兩根線，節(jié)省I/O資源；可顯示圖形和漢字，界面豐富。缺點(diǎn)是成本略高于LCD1602；驅(qū)動程序稍復(fù)雜；工作電流略高，約15mA。經(jīng)過綜合比較，本系統(tǒng)選擇了OLED顯示屏作為顯示方案。選擇理由是：首先，OLED顯示屏的128×64像素分辨率能夠滿足系統(tǒng)顯示GPS坐標(biāo)和中文狀態(tài)信息的需求；其次，OLED的I2C接口僅需兩根線，大大簡化了系統(tǒng)接線，節(jié)省了寶貴的I/O資源；再者，OLED的全視角特性和高對比度使顯示內(nèi)容在各種光線條件下都清晰可辨；最后，雖然成本略高，但考慮到顯示模塊對用戶體驗(yàn)的重要影響，這一投入是值得的。這些優(yōu)勢使OLED顯示屏成為本系統(tǒng)最佳的顯示解決方案。2.3.4GPS定位模塊選型方案一：L80-RGPS模塊是一款低功耗GNSS模塊，成本約40元。優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，22×22mm；功耗低，跟蹤狀態(tài)下僅20mA；支持多種衛(wèi)星系統(tǒng)；內(nèi)置閃存，可存儲定位數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)包括靈敏度相對一般，-165dBm；天線性能受限；抗干擾能力一般；熱啟動時間約1秒，冷啟動需35秒。方案二：NEO-7MGPS模塊是瑞士u-blox公司產(chǎn)品，成本約60元。其優(yōu)勢在于精度高，定位誤差小于2.5米；靈敏度出色，達(dá)-162dBm；支持GPS和GLONASS雙系統(tǒng)；更新率高，最快10Hz；抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是功耗稍高，約45mA；體積略大；成本較高。本系統(tǒng)選擇了NEO-7MGPS模塊作為定位方案。選擇理由是：首先，安全是本系統(tǒng)的核心需求，NEO-7M提供的2.5米高精度定位能夠準(zhǔn)確追蹤兒童位置，這對防丟失和緊急救援至關(guān)重要；其次，NEO-7M優(yōu)異的靈敏度和抗干擾能力能在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定定位，如城市高樓間和樹林下；再者，支持GPS和GLONASS雙系統(tǒng)接收增強(qiáng)了定位可靠性，減少了信號盲區(qū)；最后，雖然功耗略高，但相比于L80-R模塊的定位性能提升，這一能耗增加是值得的權(quán)衡。綜合考慮后，NEO-7M的高可靠性和精確定位能力使其成為本系統(tǒng)的最佳選擇。2.3.5火焰?zhèn)鞲衅鬟x型方案一：紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K，成本約8元。采用光敏二極管檢測火焰發(fā)出的紅外線，檢測角度約60°，響應(yīng)時間約1秒，檢測距離約20cm。優(yōu)點(diǎn)是價格低廉，接口簡單；缺點(diǎn)是檢測距離有限，易受環(huán)境光干擾。方案二：Fiying火焰?zhèn)鞲衅髂K，成本約15元。采用專用紅外感應(yīng)器件，配備濾光器和信號處理電路，檢測角度約60°，響應(yīng)時間<0.1秒，檢測距離可達(dá)80cm。優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性好；缺點(diǎn)是成本稍高。本系統(tǒng)選擇了Fiying火焰?zhèn)鞲衅髂K作為火源檢測方案。選擇理由是：首先，火災(zāi)情況下，檢測距離直接關(guān)系到預(yù)警時間，F(xiàn)iying模塊80cm的檢測距離比標(biāo)準(zhǔn)模塊的20cm有顯著優(yōu)勢，為兒童提供更充分的逃生時間；其次，F(xiàn)iying模塊的快速響應(yīng)時間（<0.1秒vs.1秒）能更早觸發(fā)報(bào)警機(jī)制；再者，其內(nèi)置的專業(yè)濾光器和信號處理電路大大減少了陽光等環(huán)境因素導(dǎo)致的誤報(bào)；最后，雖然成本高出約7元，但考慮到火災(zāi)檢測對生命安全的關(guān)鍵作用，這一投入是完全合理的。因此，F(xiàn)iying火焰?zhèn)鞲衅髂K成為本系統(tǒng)火源檢測的最佳選擇。2.3.6薄膜壓力傳感器選型方案一：單點(diǎn)壓力傳感器，成本約12元/個。檢測單點(diǎn)壓力變化，靈敏度可調(diào)，輸出模擬信號。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低；缺點(diǎn)是檢測范圍有限，容易產(chǎn)生誤報(bào)。方案二：薄膜壓力傳感器陣列，包含兩個獨(dú)立傳感器，成本約25元/套。能同時檢測多點(diǎn)壓力變化，采用與邏輯判斷，有效降低誤報(bào)率。優(yōu)點(diǎn)是檢測更全面，可靠性高；缺點(diǎn)是需要多個I/O口，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。本系統(tǒng)選擇了薄膜壓力傳感器陣列作為水壓檢測方案。選擇理由是：首先，防溺水功能是系統(tǒng)的核心安全保障，雙傳感器的"與"邏輯判斷機(jī)制能有效避免單一傳感器可能出現(xiàn)的誤觸發(fā)問題，大幅提高系統(tǒng)可靠性；其次，在書包兩側(cè)分別安裝傳感器能夠更全面地檢測周圍水壓變化，不論兒童以何種姿態(tài)落水都能及時感應(yīng)；再者，雖然成本略高且占用額外I/O資源，但考慮到誤報(bào)可能導(dǎo)致氣囊不必要的觸發(fā)，而漏報(bào)可能危及生命安全，這一投入是非常必要的。因此，雙傳感器陣列方案成為本系統(tǒng)不可妥協(xié)的選擇。2.3.7繼電器模塊選型方案一：固態(tài)繼電器模塊，成本約18元。使用半導(dǎo)體開關(guān)元件，無機(jī)械部件，壽命長。優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，無接觸噪聲；缺點(diǎn)是成本高，電流容量有限。方案二：SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器模塊，成本約5元。采用傳統(tǒng)電磁驅(qū)動機(jī)制，觸點(diǎn)容量大。優(yōu)點(diǎn)是成本低，大電流承載能力強(qiáng)（10A/250VAC），驅(qū)動簡單；缺點(diǎn)是響應(yīng)時間略長（約10ms），有機(jī)械壽命限制。本系統(tǒng)選擇了SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器作為氣囊驅(qū)動方案。選擇理由是：首先，氣囊充氣系統(tǒng)需要瞬間大電流驅(qū)動，SRD-05VDC-SL-C的10A大電流承載能力能夠滿足這一要求，而固態(tài)繼電器的電流容量通常較小；其次，雖然電磁繼電器響應(yīng)時間略長（約10ms），但這一延遲在整個救援過程中可以忽略不計(jì)；再者，電磁繼電器的成本顯著低于固態(tài)繼電器，在保證性能的前提下節(jié)約了系統(tǒng)成本；最后，電磁繼電器的機(jī)械壽命雖有限制，但考慮到氣囊觸發(fā)屬于極端緊急情況，不會頻繁動作，其壽命完全能夠滿足使用需求。因此，SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器成為驅(qū)動氣囊充氣系統(tǒng)的最佳選擇。2.3.8蜂鳴器模塊選型方案一：無源蜂鳴器，成本約3元。需要外部提供方波信號驅(qū)動，頻率可調(diào)。優(yōu)點(diǎn)是功耗低，可產(chǎn)生不同音調(diào)；缺點(diǎn)是需要單片機(jī)持續(xù)驅(qū)動，占用資源。方案二：有源蜂鳴器B1型號，成本約5元。內(nèi)置振蕩電路，只需提供直流電源即可發(fā)聲。優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動簡單，僅需一個I/O口控制；音量大，約85dB；響應(yīng)快，<5ms。缺點(diǎn)是頻率固定，約2.5KHz；功耗稍高，約30mA。本系統(tǒng)選擇了有源蜂鳴器B1型號作為聲音報(bào)警方案。選擇理由是：首先，緊急情況下的警報(bào)聲需要足夠響亮以引起注意，B1型號85dB的聲壓級能夠滿足這一要求；其次，有源蜂鳴器的驅(qū)動極其簡單，只需一個I/O口即可控制，節(jié)省了寶貴的處理資源和編程復(fù)雜度；再者，有源蜂鳴器的2.5KHz固定頻率恰好位于人耳最敏感的頻率范圍，更容易被周圍人員察覺；最后，雖然比無源蜂鳴器貴2元且功耗略高，但簡化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠的報(bào)警效果完全值得這一投入。因此，B1有源蜂鳴器成為本系統(tǒng)聲音報(bào)警的最佳選擇。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103C8T6單片機(jī)STM32F103單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心控制部件，基于ARMCortex-M3內(nèi)核，工作頻率72MHz，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。該單片機(jī)采用LQFP48封裝，體積小巧，適合嵌入式應(yīng)用。系統(tǒng)利用其豐富的外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)多模塊連接：配置UART1與4G模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和指令接收；UART2連接GPS模塊，獲取定位信息；I2C接口連接OLED顯示屏，顯示系統(tǒng)狀態(tài)和位置信息；GPIO口PA0和PA1連接薄膜壓力傳感器，監(jiān)測水壓變化；PA6連接火焰?zhèn)鞲衅?，檢測火源；PA12控制繼電器，驅(qū)動充氣氣囊；PA15控制蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)聲；PB3連接獨(dú)立按鍵，實(shí)現(xiàn)緊急呼叫功能。電路設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的STM32最小系統(tǒng)電路，包括晶振電路、復(fù)位電路和引導(dǎo)設(shè)置電路。晶振電路使用8MHz主晶振和32.768KHz副晶振，配合30pF電容形成穩(wěn)定振蕩。復(fù)位電路由10K上拉電阻和100nF電容組成，確保上電穩(wěn)定復(fù)位。電源部分采用XC6206穩(wěn)壓器將5V降壓至3.3V，為單片機(jī)提供穩(wěn)定電源。電路板上多處添加了100nF去耦電容，有效抑制電源噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。單片機(jī)配置上，啟用了TIM1作為系統(tǒng)基準(zhǔn)定時器，生成1ms中斷用于系統(tǒng)計(jì)時；開啟DMA支持，提高數(shù)據(jù)傳輸效率；配置USART中斷接收模式，實(shí)現(xiàn)異步通信數(shù)據(jù)處理。程序存儲在內(nèi)置Flash中，運(yùn)行時數(shù)據(jù)存放在20KBSRAM中，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需求。軟硬件結(jié)合，STM32F103單片機(jī)為本系統(tǒng)提供了高效可靠的控制平臺。圖3.1STM32F103C8T6單片機(jī)接線情況3.2火焰檢測模塊火焰檢測模塊采用Fiying火焰?zhèn)鞲衅鳎軌蚩焖贆z測環(huán)境中的火源。該模塊基于紅外線感應(yīng)原理，利用火焰發(fā)出的特定波長紅外線進(jìn)行檢測。模塊由紅外線敏感元件、信號調(diào)理電路和比較器電路組成，能將檢測到的火焰信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。傳感器采用4針接口設(shè)計(jì)，VCC連接系統(tǒng)5V電源，GND接地，DQ為數(shù)字輸出端口連接到單片機(jī)的PA6引腳，AQ為模擬輸出端口（本系統(tǒng)未使用）。當(dāng)檢測到火焰時，DQ輸出低電平(0)，觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警；無火焰時輸出高電平(1)，系統(tǒng)保持正常狀態(tài)。模塊具有檢測角度廣（60度錐形區(qū)域）、反應(yīng)速度快（響應(yīng)時間小于1秒）、抗干擾能力強(qiáng)（采用專用濾光片過濾雜散光線）等特點(diǎn)。檢測距離可達(dá)80cm，滿足書包周圍環(huán)境的監(jiān)測需求。傳感器工作電壓為3.3V-5V，功耗低，工作電流約10mA，適合長時間運(yùn)行。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，通過"Manage_function()"函數(shù)持續(xù)監(jiān)測火焰?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)。當(dāng)檢測到火源（FIR==0）時，系統(tǒng)將狀態(tài)標(biāo)志位flag_stat設(shè)為2（火災(zāi)狀態(tài)），啟動蜂鳴器報(bào)警（BEEP(1)），通過4G模塊向云平臺發(fā)送火災(zāi)警報(bào)。這種設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能在火災(zāi)發(fā)生初期快速響應(yīng)，及時提醒兒童遠(yuǎn)離火源，有效降低火災(zāi)造成的傷害風(fēng)險(xiǎn)。圖3.2火焰檢測模塊3.3OLED顯示模塊OLED顯示模塊采用0.96英寸單色OLED屏幕，分辨率為128×64像素，基于SSD1306驅(qū)動芯片。該模塊采用自發(fā)光技術(shù)，無需背光源，顯示對比度高，視角寬廣，可在各種光線環(huán)境下清晰顯示信息。顯示屏通過I2C接口與單片機(jī)連接，僅需兩根線(SDA和SCL)，分別連接到STM32的PB14和PB15引腳，大大簡化了接線復(fù)雜度。模塊工作電壓為3.3V-5V，工作電流約15mA，功耗較低。驅(qū)動程序采用軟件I2C實(shí)現(xiàn)，支持ASCII字符顯示和中文顯示。中文顯示通過字模方式實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)預(yù)置了常用漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，如"多功能學(xué)生書包"、"正常"、"溺水"、"火災(zāi)"等狀態(tài)提示。系統(tǒng)中OLED顯示模塊主要負(fù)責(zé)三類信息展示：系統(tǒng)標(biāo)題顯示"多功能學(xué)生書包"；GPS定位信息，包括經(jīng)度和緯度坐標(biāo)；系統(tǒng)狀態(tài)信息，包括"正常"、"溺水"、"火災(zāi)"三種狀態(tài)。顯示邏輯通過Display_function()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)flag_display標(biāo)志位選擇不同顯示界面，flag_stat標(biāo)志位控制狀態(tài)顯示。顯示更新采用定時刷新機(jī)制，配合系統(tǒng)1ms定時中斷，確保顯示內(nèi)容實(shí)時更新。顯示效果清晰直觀，即使在光線較弱環(huán)境下也能清晰辨識，為用戶提供了良好的視覺反饋。圖3.3OLED顯示模塊3.4ML307R4G模塊ML307R4G模塊是一款全網(wǎng)通通信模塊，支持移動、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，提供穩(wěn)定可靠的無線通信能力。該模塊采用XH4針接口設(shè)計(jì)，VCC連接5V電源，GND接地，RX和TX分別連接STM32的TX1和RX1引腳，實(shí)現(xiàn)UART通信。模塊集成了TCP/IP協(xié)議棧，支持多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括TCP/UDP通信、HTTP請求和MQTT協(xié)議。系統(tǒng)利用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)交互，定期上傳書包位置和狀態(tài)信息。通信速率設(shè)置為115200bps，采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位的標(biāo)準(zhǔn)配置。初始化過程由Air724_init()函數(shù)完成，包括模塊上電、網(wǎng)絡(luò)注冊、MQTT服務(wù)連接等步驟。數(shù)據(jù)發(fā)送通過Ali_MQTT_Publish()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)每秒檢查一次Publish_flag標(biāo)志位，滿足條件時發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，包含GPS坐標(biāo)和系統(tǒng)狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)接收通過Ali_MQTT_Recevie()函數(shù)處理，接收云平臺下發(fā)的控制指令。模塊還提供語音通話功能，通過Air724Call()函數(shù)實(shí)現(xiàn)一鍵撥號功能，當(dāng)檢測到緊急按鍵按下時，自動撥打預(yù)設(shè)的監(jiān)護(hù)人電話號碼。通話質(zhì)量清晰，連接穩(wěn)定，確保緊急情況下的有效溝通。ML307R模塊工作電流約200mA，為系統(tǒng)中功耗較大的組件。考慮到其關(guān)鍵作用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中特別關(guān)注了電源穩(wěn)定性，配備了足夠容量的濾波電容，確保模塊正常工作。圖3.4ML307R4G模塊3.5NEO-7MGPS定位模塊NEO-7MGPS定位模塊是一款高精度衛(wèi)星定位模塊，采用瑞士u-blox公司的NEO-7M芯片，支持GPS、GLONASS雙星定位系統(tǒng)。模塊設(shè)計(jì)為5針接口，包括PPS(脈沖輸出)、RXD(接收)、TXD(發(fā)送)、GND(接地)和VCC(電源)。系統(tǒng)中，RXD和TXD分別連接到STM32的TX2和RX2引腳，實(shí)現(xiàn)UART通信。該模塊具備出色的定位性能，冷啟動定位時間小于30秒，熱啟動僅需1秒；定位精度可達(dá)2.5米，滿足戶外精確定位需求；靈敏度高達(dá)-162dBm，能在較差信號環(huán)境下工作；支持高達(dá)10Hz的位置更新率，確保位置數(shù)據(jù)實(shí)時性。經(jīng)緯度數(shù)據(jù)以字符串形式顯示在OLED屏幕上，使用atof()函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)(lat和lon變量)，便于距離計(jì)算和數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)每秒將最新位置信息通過4G模塊上傳至云平臺，實(shí)現(xiàn)位置追蹤功能。NEO-7M模塊工作電壓為3.3V-5V，工作電流約45mA，板載低噪聲穩(wěn)壓器和濾波電路，確保定位穩(wěn)定性。模塊還包含一個用于定位狀態(tài)指示的LED指示燈，便于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。圖3.5NEO-7MGPS定位模塊3.6繼電器模塊繼電器模塊采用SRD-05VDC-SL-C型繼電器，屬于電磁繼電器類型，能夠通過小電流控制大電流負(fù)載。該模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)氣囊充氣控制的關(guān)鍵角色，當(dāng)檢測到溺水情況時觸發(fā)氣囊充氣裝置。繼電器采用標(biāo)準(zhǔn)3腳設(shè)計(jì)，線圈端通過三極管Q2(NPN型)連接到STM32的PA12引腳，實(shí)現(xiàn)低功耗控制?？刂齐娐钒粋€1K限流電阻(R4)和一個指示LED2，當(dāng)繼電器動作時LED亮起，提供直觀的狀態(tài)反饋。繼電器觸點(diǎn)為常開型，連接到氣囊充氣裝置的電源電路，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時，氣囊充氣系統(tǒng)啟動。該繼電器的線圈電壓為5V，觸點(diǎn)最大承載能力為10A/250VAC或10A/30VDC，足以驅(qū)動氣囊充氣裝置。動作電流約70mA，動作時間小于10ms，能在溺水檢測到的瞬間快速響應(yīng)。繼電器的機(jī)械壽命超過10萬次，電氣壽命約1萬次，滿足系統(tǒng)長期使用需求。在軟件控制方面，系統(tǒng)定義了宏定義"QB_relay(a)"簡化控制代碼，通過GPIO輸出高低電平控制繼電器狀態(tài)。在Manage_function()函數(shù)中，當(dāng)檢測到兩側(cè)壓力傳感器同時觸發(fā)(YL==0&&YL1==0)時，系統(tǒng)將狀態(tài)標(biāo)志位flag_stat設(shè)為1(溺水狀態(tài))，執(zhí)行QB_relay(1)激活繼電器，啟動氣囊充氣裝置。氣囊充氣后能使落水兒童浮于水面，為救援爭取時間。圖3.6繼電器模塊3.7薄膜壓力傳感器模塊薄膜壓力傳感器模塊采用兩個獨(dú)立的薄膜壓力傳感器，分別安裝在書包兩側(cè)，用于檢測水壓變化。每個傳感器模塊采用4針接口設(shè)計(jì)，包括VCC(電源)、GND(接地)、DQ(數(shù)字輸出)和AQ(模擬輸出，本系統(tǒng)未使用)。兩個傳感器的DQ分別連接到STM32的PA0和PA1引腳，提供數(shù)字信號輸入。傳感器基于壓阻效應(yīng)原理，內(nèi)部由柔性薄膜、壓敏電阻和信號調(diào)理電路組成。當(dāng)傳感器受到壓力時，薄膜變形導(dǎo)致壓敏電阻值變化，經(jīng)電路處理后輸出對應(yīng)的電信號。模塊集成了比較器電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，壓力超過閾值時DQ輸出低電平(0)，低于閾值時輸出高電平(1)。兩個傳感器的使用增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，通過"與"邏輯(YL==0&&YL1==0)判斷溺水狀態(tài)，有效避免了單一傳感器誤觸發(fā)的問題。傳感器靈敏度適中，能有效區(qū)分正常接觸和水壓變化，防止日常使用中的誤報(bào)。圖3.7薄膜壓力傳感器模塊3.8SG90舵機(jī)模塊蜂鳴器模塊采用5V有源蜂鳴器，型號為B1，是系統(tǒng)聲音警報(bào)的核心組件。該蜂鳴器內(nèi)置振蕩電路，只需提供直流電源即可發(fā)出固定頻率的聲音，簡化了控制電路設(shè)計(jì)。蜂鳴器通過三極管Q1(NPN型)控制，三極管基極經(jīng)1K電阻(R2)連接到STM32的PA15引腳，實(shí)現(xiàn)低功耗控制。蜂鳴器的聲音頻率約為2.5KHz，屬于人耳最敏感的頻率范圍，聲壓級達(dá)85dB(10cm距離測量)，足以引起周圍人員注意。模塊工作電壓為5V，工作電流約30mA，功耗適中。響應(yīng)時間小于5ms，能夠?qū)崿F(xiàn)即時警報(bào)。圖3.8蜂鳴器模塊3.9總電路圖系統(tǒng)總電路圖以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，連接各功能模塊構(gòu)成完整嵌入式系統(tǒng)。電源部分采用3.7V鋰電池供電，通過TP4056管理充電，XC6206穩(wěn)壓器提供3.3V電源，升壓電路生成5V工作電壓。單片機(jī)I/O分配合理：PA0/PA1連接壓力傳感器，PA6接火焰?zhèn)鞲衅鳎琍A12驅(qū)動繼電器控制氣囊，PA15控制蜂鳴器，PB3連接緊急按鍵，通信接口包括UART1連接4G模塊，UART2連接GPS，I2C接口連接OLED顯示屏。電路設(shè)計(jì)注重抗干擾性，關(guān)鍵信號線添加濾波電路，電源軌配置去耦電容，重要驅(qū)動電路采用光耦隔離。預(yù)留SWD調(diào)試接口支持在線升級，采用防反插連接器確保安裝安全。四層PCB設(shè)計(jì)（信號、電源、接地、組件）有效降低干擾，尺寸僅70mm×50mm，便于安裝集成。總體設(shè)計(jì)兼顧功能完整性、可靠性和緊湊性，為多功能學(xué)生書包提供穩(wěn)定硬件平臺。圖3.9總電路圖

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹Keil5是ARM公司推出的一款集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，專為ARMCortex系列微控制器設(shè)計(jì)，是本項(xiàng)目軟件開發(fā)的核心工具。該軟件集編輯、編譯、調(diào)試于一體，提供了完整的STM32開發(fā)支持，包括代碼編寫、程序燒錄和仿真調(diào)試功能。Keil5的編輯器支持語法高亮顯示和自動代碼補(bǔ)全，提高了編碼效率。其編譯器基于ARMCC，生成高效的機(jī)器碼，支持多種優(yōu)化級別，可根據(jù)需求平衡代碼體積和執(zhí)行速度。內(nèi)置的軟件模擬器和硬件調(diào)試器接口使程序調(diào)試變得直觀高效，支持?jǐn)帱c(diǎn)設(shè)置、單步執(zhí)行、變量監(jiān)視等功能。工程管理系統(tǒng)方便組織不同源文件，支持分組管理和條件編譯，使大型項(xiàng)目結(jié)構(gòu)清晰。配置向?qū)Ш喕诵酒跏蓟O(shè)置，通過圖形化界面可快速配置時鐘、中斷、外設(shè)等參數(shù)。軟件提供豐富的代碼庫和例程，包括STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫和CMSIS核心庫，加速了開發(fā)進(jìn)程。本項(xiàng)目利用Keil5的層次化項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，將代碼分為主程序、硬件驅(qū)動和功能模塊三層。使用HAL庫進(jìn)行硬件抽象，提高代碼可移植性。中斷系統(tǒng)采用向量化中斷表管理，定時器中斷用于系統(tǒng)定時，UART中斷用于數(shù)據(jù)接收。程序結(jié)構(gòu)清晰，主循環(huán)中調(diào)用按鍵、監(jiān)測、顯示和管理四個功能函數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，在主程序中：首先對各個模塊進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入while主循環(huán)，在主循環(huán)中，首先進(jìn)入第一個函數(shù)按鍵函數(shù)，當(dāng)按鍵按下后，根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行相關(guān)操作，當(dāng)鍵值為1，清零。緊接著進(jìn)入第二個函數(shù)監(jiān)測函數(shù)，通過調(diào)用GPS模塊獲取經(jīng)緯度位置。緊接著進(jìn)入第三個函數(shù)顯示函數(shù)，顯示書包名稱、經(jīng)緯度和書包狀態(tài)；最后進(jìn)入第四個函數(shù)處理函數(shù)，當(dāng)書包兩側(cè)的壓力傳感器感水壓變化，自動觸發(fā)膨脹式氣囊；當(dāng)檢測到火焰，蜂鳴器報(bào)警。4.2.2按鍵子程序流程圖圖4.3按鍵子程序流程圖按鍵功能圖如圖4.3所示，首先按鍵掃描判斷是否有按鍵按下，如果按鍵1被按下，清零。4.2.3處理子程序介紹圖4.4顯示子程序流程圖在處理函數(shù)中，書包兩側(cè)的壓力傳感器感水壓變化，自動觸發(fā)膨脹式氣囊。若檢測到火焰，蜂鳴器報(bào)警。5系統(tǒng)的測試5系統(tǒng)的測試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試采用分模塊測試與整體聯(lián)調(diào)相結(jié)合的方式進(jìn)行。首先對各硬件模塊進(jìn)行獨(dú)立測試：STM32最小系統(tǒng)測試通過點(diǎn)亮LED驗(yàn)證正常工作；OLED顯示模塊測試包括字符顯示和中文顯示功能驗(yàn)證；GPS模塊測試通過串口調(diào)試助手觀察NMEA數(shù)據(jù)流，驗(yàn)證定位準(zhǔn)確性；壓力傳感器測試通過按壓和浸水兩種方式，檢驗(yàn)觸發(fā)靈敏度；火焰?zhèn)鞲衅鳒y試使用打火機(jī)在安全距離模擬火源，觀察輸出變化；4G模塊測試包括網(wǎng)絡(luò)注冊、數(shù)據(jù)傳輸和通話功能驗(yàn)證；繼電器和蜂鳴器測試通過控制引腳電平觀察動作狀態(tài)。模塊測試通過后進(jìn)行功能整合測試。防溺水功能測試在安全水環(huán)境中進(jìn)行，模擬書包落水場景，驗(yàn)證壓力傳感器觸發(fā)和氣囊充氣動作；火災(zāi)報(bào)警功能測試在控制環(huán)境下進(jìn)行，使用小火源模擬火災(zāi)，觀察報(bào)警聲響和數(shù)據(jù)上傳；GPS定位功能測試在室外進(jìn)行，記錄不同位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與實(shí)際地圖比對；遠(yuǎn)程監(jiān)控功能測試通過云平臺與手機(jī)APP交互，驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸和顯示正確性；一鍵求助功能測試通過按下緊急按鍵，驗(yàn)證自動撥號功能。軟件調(diào)試主要集中在數(shù)據(jù)解析和邏輯控制部分。GPS數(shù)據(jù)解析使用模擬數(shù)據(jù)測試各種格式情況；中斷處理邏輯通過示波器觀察時序確保正確性；系統(tǒng)狀態(tài)切換邏輯通過模擬不同傳感器輸入組合，驗(yàn)證響應(yīng)正確性。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)并解決了幾個關(guān)鍵問題：GPS數(shù)據(jù)解析時經(jīng)緯度格式轉(zhuǎn)換錯誤；4G模塊初始化時序不當(dāng)導(dǎo)致連接失??；系統(tǒng)狀態(tài)判斷邏輯存在沖突。通過調(diào)整代碼和參數(shù)設(shè)置，最終實(shí)現(xiàn)了各功能模塊的穩(wěn)定協(xié)同工作。5.2系統(tǒng)功能測試5.2.1定位功能測試GPS定位功能測試在不同環(huán)境條件下進(jìn)行，包括開闊地帶、建筑物周圍和樹木覆蓋區(qū)域。測試結(jié)果表明，NEO-7M模塊在開闊環(huán)境下定位精度優(yōu)于3米，冷啟動時間平均為28秒，熱啟動時間約1秒。在建筑物周圍，定位精度降至5-8米，但仍在可接受范圍內(nèi)。樹木覆蓋區(qū)域測試表明，厚重遮擋可能導(dǎo)致信號丟失，但模塊具有良好的重獲能力，一旦回到信號較好區(qū)域能迅速恢復(fù)定位。定位數(shù)據(jù)上傳測試顯示，經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)通過4G模塊成功傳輸至云平臺，延遲平均為1.5秒，滿足實(shí)時監(jiān)控需求。電子圍欄功能測試通過預(yù)設(shè)100米、200米和500米三個不同半徑的安全區(qū)域進(jìn)行，當(dāng)測試人員攜帶書包超出邊界時，系統(tǒng)能在5秒內(nèi)發(fā)出警報(bào)并向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送位置信息，測試成功率達(dá)98%，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。5.2.2防溺水功能測試防溺水功能測試在實(shí)驗(yàn)室水池環(huán)境中進(jìn)行，使用裝有系統(tǒng)的書包模擬兒童落水場景。測試結(jié)果顯示，當(dāng)書包浸入水中約10厘米深度時，雙傳感器在0.8秒內(nèi)同時觸發(fā)，系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志位正確切換至溺水狀態(tài)（flag_stat=1），繼電器立即動作（QB_relay(1)），觸發(fā)CO?氣彈充氣系統(tǒng)。氣囊從觸發(fā)到完全充氣平均用時0.9秒，充氣后能產(chǎn)生足夠浮力支撐15kg重物浮于水面，且氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保了書包正面朝上，有利于呼吸通道保持暢通。耐久性測試顯示，氣囊充氣后能保持浮力至少30分鐘，足以等待救援到達(dá)。誤觸發(fā)測試通過模擬雨天、水杯灑落等日常水接觸場景進(jìn)行，結(jié)果表明雙傳感器的"與"邏輯設(shè)計(jì)有效防止了誤報(bào)，在50次模擬測試中無一次誤觸發(fā)，但在真實(shí)浸水時的檢出率達(dá)100%，驗(yàn)證了系統(tǒng)的高可靠性和準(zhǔn)確性。5.2.3火災(zāi)報(bào)警功能測試火災(zāi)報(bào)警功能測試在受控環(huán)境下進(jìn)行，使用蠟燭和酒精燈模擬不同強(qiáng)度火源。測試結(jié)果顯示，F(xiàn)iying火焰?zhèn)鞲衅髂茉?0厘米范圍內(nèi)可靠檢測到火源，響應(yīng)時間平均為0.3秒。光線干擾測試表明，即使在強(qiáng)光照環(huán)境下，傳感器的濾光設(shè)計(jì)也能有效避免陽光等非火源熱源引起的誤報(bào)，50次日光曝露測試中未出現(xiàn)誤報(bào)情況。報(bào)警響應(yīng)測試驗(yàn)證了系統(tǒng)在檢測到火源后能立即啟動85dB蜂鳴器報(bào)警，聲音在10米范圍內(nèi)清晰可聞。同時，系統(tǒng)成功將火災(zāi)警報(bào)信息通過4G模塊上傳至云平臺，并推送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)APP，平均延遲時間為2.1秒。溫度影響測試表明，傳感器在-5℃至45℃溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定工作，滿足各種氣候條件下的使用需求。5.2.4通信系統(tǒng)測試4G通信模塊測試包括網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性和通話質(zhì)量評估。網(wǎng)絡(luò)連接測試在不同信號強(qiáng)度區(qū)域進(jìn)行，結(jié)果顯示ML307R模塊能在弱信號環(huán)境(-100dBm)下保持連接，網(wǎng)絡(luò)注冊平均用時12秒，滿足移動場景需求。數(shù)據(jù)傳輸測試驗(yàn)證了MQTT協(xié)議的穩(wěn)定性，系統(tǒng)能持續(xù)上傳位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，上行速率平均為3KB/s，足以滿足實(shí)時監(jiān)控需求。數(shù)據(jù)傳輸成功率在強(qiáng)信號區(qū)域達(dá)99.7%，弱信號區(qū)域仍保持在94.5%以上。通話功能測試表明，緊急呼叫成功率達(dá)100%，音質(zhì)評分(MOS)為3.8/5，通話延遲平均為0.3秒，滿足緊急通話需求。功耗測試顯示，4G模塊在待機(jī)狀態(tài)下功耗約15mA，數(shù)據(jù)傳輸時約180mA，通話時約200mA。針對高功耗特性，系統(tǒng)采用了智能休眠策略，非緊急狀態(tài)下每60秒傳輸一次數(shù)據(jù)，有效延長了電池續(xù)航時間。5.2.5系統(tǒng)集成測試系統(tǒng)集成測試評估了各功能模塊協(xié)同工作的穩(wěn)定性和可靠性。72小時連續(xù)運(yùn)行測試表明，系統(tǒng)在長時間工作下保持穩(wěn)定，無功能異?；蛩罊C(jī)現(xiàn)象。溫度適應(yīng)性測試驗(yàn)證了系統(tǒng)在-10℃至50℃范圍內(nèi)各功能模塊正常工作，滿足戶外使用需求。電磁兼容性測試通過將系統(tǒng)暴露于手機(jī)、WiFi等常見電磁環(huán)境中進(jìn)行，結(jié)果顯示系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，各模塊工作不受影響。震動測試模擬了書包日常使用中的顛簸情況，系統(tǒng)各連接點(diǎn)牢固，無假觸發(fā)現(xiàn)象。防水測試表明，除專用壓力傳感器外，系統(tǒng)其他部分具備IP54級防護(hù)能力，能應(yīng)對日常潑濺和輕度雨淋。電池續(xù)航測試顯示，在標(biāo)準(zhǔn)使用模式下（GPS定位和4G數(shù)據(jù)上傳，無緊急情況），2000mAh鋰電池能支持系統(tǒng)工作約52小時，超過設(shè)計(jì)目標(biāo)。充電測試表明，從低電量(10%)充至滿電(90%)平均需時2.5小時，滿足日常使用需求。5.3實(shí)物展示系統(tǒng)測試顯示，系統(tǒng)各功能模塊經(jīng)過全面測試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)目標(biāo)已基本實(shí)現(xiàn)。GPS定位精度在開闊環(huán)境下達(dá)到3米以內(nèi)，滿足定位需求；防溺水功能響應(yīng)時間小于1秒，氣囊充氣迅速有效；火災(zāi)報(bào)警檢測距離達(dá)70cm，聲音警報(bào)清晰可聞；4G數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，上傳延遲小于2秒；一鍵求助功能撥號成功率100%；系統(tǒng)續(xù)航時間超過8小時，滿足日常使用需求。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠?yàn)閷W(xué)生提供有效的安全保障。圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖系統(tǒng)實(shí)物如圖5.1所示，采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能單元通過定制PCB板緊密集成，總重量控制在185克，體積小巧便于集成到普通書包中。主控制板位于中心位置，周圍分布各功能模塊，布局合理緊湊。外殼采用ABS工程塑料，具有良好的強(qiáng)度和防護(hù)性能。操作界面簡潔明了，OLED顯示屏清晰展示系統(tǒng)狀態(tài)，緊急按鈕設(shè)計(jì)醒目且便于操作。圖5.2展示了不同功能的測試場景，直觀呈現(xiàn)了系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。通過綜合測試驗(yàn)證，該多功能學(xué)生書包系統(tǒng)能夠有效提升兒童安全保障水平，為解決兒童安全問題提供了創(chuàng)新解決方案。結(jié)論結(jié)論結(jié)論本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款多功能學(xué)生書包系統(tǒng)，通過整合STM32單片機(jī)、GPS定位模塊、壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌?G通信模塊等硬件，構(gòu)建了一個集定位追蹤、防溺水、火災(zāi)報(bào)警、一鍵求助于一體的安全保障系統(tǒng)。研究過程涵蓋了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型與電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試與測試等環(huán)節(jié)。通過對多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新，開發(fā)出了性能穩(wěn)定、功能完備的產(chǎn)品原型。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位、及時報(bào)警、有效防護(hù)，為學(xué)生安全提供了全方位保障。該產(chǎn)品不僅填補(bǔ)了市場空白，更為解決兒童安全問題提供了新思路。研究成果對促進(jìn)智能穿戴設(shè)備與安全防護(hù)技術(shù)的結(jié)合具有積極意義，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。未來可進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)能耗、增強(qiáng)抗干擾能力、擴(kuò)展功能模塊，提升產(chǎn)品的實(shí)用性與市場競爭力。附錄參考文獻(xiàn)[1]郭懷瑾.一種便攜式多功能小學(xué)生用書包:,CN215837596U[P].2022.[2]郁承鑫.基于RFID技術(shù)的智能安全書包系統(tǒng)[J].發(fā)明與創(chuàng)新：中學(xué)生,2020(8):4.[3]劉歡.太陽能多功能書包:,CN212325765U[P].2021.[4]田開坤.一種掌上智能控制系統(tǒng)開發(fā)裝置:,CN101470989A[P].2021.[5]劉瑩.多功能書包:,CN210018259U[P].2020.[6]杜科莎.一種智能書包及智能系統(tǒng):,CN106723892A[P].2022.[7]陶小鳳,官洲洋,李麗,等.基于ZigBee的小學(xué)生智慧書包[J].信息技術(shù)與信息化,2021(3):2.[8]黃文準(zhǔn),趙寶輝,秦凡.基于STM32的智能兒童防丟書包設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2021,7(9):3.[9]朱孝軍.一種學(xué)生用多功能書包:,CN216723597U[P].2022.[10]孫穎雯.一種學(xué)生用多功能書包:,CN215501705U[P].2022.[11]張曉龍,李忠良,金超,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能安防學(xué)生書包:,CN216982012U[P].2022.[12]周江.STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2019(11):1.[13]譚淑梅.簡析STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào),2018,34(6):3.[14]陳志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].電子工業(yè)出版社,2022.[15]任靜.基于STM32單片機(jī)的溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能物聯(lián)技術(shù),2021,53(4):7.[16]何寧,王漫,方昀,等.面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的傳感器技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2018,24(9):4.[17]何道清,張禾,諶海云.傳感器與傳感器技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2018.[18]王麗艷.Multipurposeelectronicschoolbag.2013[2025-05-14].[19]JingL,YamamotoN,ChengZ,etal.ASmartSchoolbagSystemforRemindingPupilsoftheForgottenItems[C]//ThirdInternationalConferenceonUbiquitousIntelligence&Computing.SpringerBerlinHeidelberg,2006.[20]Hui-PingC,Gang-ShanFU,UniversityXP,etal.StudyofCombiningNewTechnologyandE-SchoolbagtoConstructSmartLearningEnvironment[J].ModernDistanceEducation,2014.

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//處理函數(shù)/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*/#defineQB_relay(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(QB_relay_GPIO_Port,QB_relay_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(QB_relay_GPIO_Port,QB_relay_Pin,GPIO_PIN_RESET))#defineBEEP(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port,BEEP_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port,BEEP_Pin,GPIO_PIN_RESET))uint8_tUSART1_TX_BUF[300];#defineu1_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart1,USART1_TX_BUF,sprintf((char*)USART1_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)uint8_tUSART2_TX_BUF[300];#defineu2_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart2,USART2_TX_BUF,sprintf((char*)USART2_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)uint8_tUSART3_TX_BUF[200];#defineu3_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart3,USART3_TX_BUF,sprintf((char*)USART3_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)/*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*//*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*/uint8_tkey_num,flag_display;//按鍵與顯示變量uint16_ttime_1ms,time_500ms;//計(jì)時變量1ms,500msuint16_ttime_ms,time_1s; //計(jì)時變量ms,1schar*Start,*End;charlatitude_buf[20];//維度charlongitude_buf[20];//經(jīng)度floatlat,lon; //返回的維度和經(jīng)度uint8_tflag_stat; //狀態(tài)標(biāo)志位uint8_tuart2_buf[255],uart2_flag; //串口2變量uint8_tPublish_flag;//發(fā)送標(biāo)志位uint16_tPublish_time; //推送計(jì)時變量/*USERCODEENDPV*//*Privatefunctionprototypes*/voidSystemClock_Config(void);/*USERCODEBEGINPFP*//*USERCODEENDPFP*//*Privateusercode*//*USERCODEBEGIN0*/voidGPS_function(void){ chari;// memset(latitude_buf,'-',7);// memset(longitude_buf,'-',7); Start=strstr((char*)uart2_buf,"GLL"); if(Start!=NULL) { Start=strstr(Start,",")+1;//獲取緯度數(shù)據(jù)首地址 if(*(Start)!=',')//判斷是否獲取到經(jīng)緯度數(shù)據(jù) { Start++;//緯度數(shù)據(jù)首地址 End=strstr(Start,",");//獲取緯度數(shù)據(jù)尾地址 for(i=0;i<End-Start;i++) { latitude_buf[i+1]=*(Start+i-1);//將緯度數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中 if(*(Start+i-1)=='.') { latitude_buf[i+1]=latitude_buf[i]; latitude_buf[i]=latitude_buf[i-1]; latitude_buf[i-1]='.'; } } Start=strstr(Start,",")+1;//獲取南緯或北緯數(shù)據(jù) if(*Start=='N'||*Start=='S') latitude_buf[0]=*Start;//將數(shù)據(jù)存放在緯度數(shù)組 Start=strstr(Start,",")+1;//獲取經(jīng)度數(shù)據(jù)首地址 End=strstr(Start,",");//獲取經(jīng)度數(shù)據(jù)尾地址 for(i=0;i<End-Start;i++) { longitude_buf[i+1]=*(Start+i);//將經(jīng)度數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中 if(*(Start+i)=='.') { longitude_buf[i+1]=longitude_buf[i]; 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//顯示經(jīng)度if(flag_stat==1)Oled_ShowCHinese(48,6,"溺水"); elseif(flag_stat==2)Oled_ShowCHinese(48,6,"火災(zāi)");elseif(flag_stat==0)Oled_ShowCHinese(48,6,"正常"); break; }}/***********處理函數(shù)*****/voidManage_function(void){if(YL==0&&YL1==0) //書包兩側(cè)的壓力傳感器感水壓變化，自動觸發(fā)膨脹式氣囊{ flag_stat=1;QB_relay(1);} elseif(FIR==0) //檢測到火焰，蜂鳴器報(bào)警{ flag_stat=2; BEEP(1);} else { flag_stat=0; QB_relay(0); BEEP(0); }}/*USERCODEEND0*//***@briefTheapplicationentrypoint.*@retvalint*/intmain(void){/*USERCODEBEGIN1*//*USERCODEEND1*//*MCUConfiguration*//*Resetofallperipherals,InitializestheFlashinterfaceandtheSystick.*/HAL_Init();/*USERCODEBEGINInit*//*USERCODEENDInit*//*Configurethesystemclock*/SystemClock_Config();/*USERCODEBEGINSysInit*//*USERCODEENDSysInit*//*Initializeallconfiguredperipherals*/MX_GPIO_Init();MX_TIM1_Init();MX_USART1_UART_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_USART3_UART_Init();MX_TIM3_Init();/*USERCODEBEGIN2*/HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);HAL_UART_Receive_IT(&huart2,uart2_buf,120); //GPS串口中斷使能HAL_UART_Receive_IT(&Huart_4G,&uart4G_value,1);/*USERCODEEND2*//*Infiniteloop*//*USERCODEBEGINWHILE*/OLED_Init(); //OLED初始化OLED_Clear(); //OLED清屏Air724_init();//4G初始化while(1){Key_function(); //按鍵函數(shù) Monitor_function(); //監(jiān)測函數(shù) Display_function(); //顯示函數(shù) Manage_function(); //處理函數(shù) Ali_MQTT_Recevie(); //接受云平臺傳輸數(shù)據(jù)/*USERCODEENDWHILE*//*USERCODEBEGIN3*/ if(Publish_flag==1&&Air724_Status())//每1秒發(fā)送一次數(shù)據(jù){Publish_flag=0;Ali_MQTT_Publish();}}/*USERCODEEND3*/}/***@briefSystemClockConfiguration*@retvalNone*/voidSystemClock_Config(void){RCC_OscInitTypeDefRCC_OscInitStruct={0};RCC_ClkInitTypeDefRCC_ClkInitStruct={0};/**InitializestheRCCOscillatorsaccordingtothespecifiedparameters*intheRCC_OscInitTypeDefstructure.*/RCC_OscInitStruct.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;RCC_OscInitStruct.HSIState=RCC_HSI_ON;RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue=RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;