基于STM32单片机智能手表手环GSM短信上报GPS定位校时

1. 系统功能介绍

本设计基于STM32单片机，结合GPS定位模块、GSM短信模块、LCD1602液晶显示屏、按键及LED指示灯，构建一个智能手表手环系统。系统能够实时获取当前经纬度、时间日期信息，通过液晶屏显示，支持短信远程交互和发送位置信息。具备手电筒照明功能，并通过电位器调节液晶屏清晰度，满足日常使用需求。该系统特别适合老年人、户外运动者等群体，增强安全保障和便捷定位。

主要功能包括：

• 利用GPS模块获取并解析当前地理经纬度和时间信息；
• LCD1602液晶显示经纬度和时间日期，用户可通过按键切换显示内容；
• 采用电位器调节LCD对比度，提升显示效果；
• 具备手电筒功能，通过按键控制LED灯的开启与关闭；
• 用户按键发送定位短信，通过GSM模块发送短信给指定联系人；
• 支持远程短信指令“GET”，自动回复当前经纬度和时间信息；
• GSM模块状态通过指示灯显示，便于用户了解短信处理进程；
• 系统电源设计支持5V/2A供电，GPS天线需置于露天位置以保证信号质量。

2. 系统电路设计

本系统电路由STM32单片机作为核心控制器，外围集成多个功能模块，包括GPS模块、GSM模块、LCD1602显示模块、按键输入模块、LED灯控制模块以及电源管理模块。各模块紧密配合，共同完成定位、显示、通信和用户交互功能。

2.1 STM32单片机核心控制模块

STM32单片机是系统的大脑，负责各模块数据采集、处理与控制。

• 采用STM32F103C8T6核心板，具备较高的运算速度和丰富的外设接口；
• 配备多路UART接口，分别连接GPS模块和GSM模块，完成数据通信；
• 控制LCD1602显示模块，实现界面显示切换；
• 读取按键输入，响应用户操作；
• 控制LED指示灯及手电筒LED开关；
• 通过ADC通道采集电位器模拟量，实现LCD对比度调节；
• 电源接口设计支持5V/2A输入，稳定单片机及模块供电。

2.2 GPS定位模块电路

GPS模块主要负责卫星信号接收，提供实时定位和校时信息。

• 通过UART串口与STM32通信，传输NMEA格式定位数据；
• 模块必须配备高增益GPS天线，且天线置于露天位置，确保良好信号接收；
• 供电稳定，采用3.3V或5V稳压供电设计；
• 电路中包含必要的滤波电容，减少电磁干扰，保证数据稳定。

2.3 GSM短信模块电路

GSM模块用于短信收发功能，实现定位信息发送及远程指令控制。

• 通过UART串口与单片机通信，支持标准AT指令控制；
• 设有SIM卡座，支持2G或3G网络覆盖；
• 设计专用稳压和滤波电路，保证模块通信稳定；
• 状态指示LED显示短信模块初始化和短信发送状态；
• 供电要求较高，电流峰值可能达到2A，电源设计需满足此需求。

2.4 LCD1602液晶显示模块电路

LCD1602用于显示当前的经纬度、时间和日期信息。

• 与单片机通过GPIO口或I2C/SPI通信连接，完成数据刷新；
• 供电电压为5V，内置背光设计；
• 通过电位器调节对比度，实现显示清晰度可调；
• 电位器接入单片机ADC，方便实时动态调节。

2.5 按键输入模块电路

系统设计了三个按键，实现显示内容切换、手电筒控制及短信发送功能。

• 按键连接单片机GPIO口，配备上拉电阻，防止信号浮空；
• 按键采用去抖动电路或软件去抖动处理，提升按键响应准确度；
• 不同按键触发对应功能，支持中断或轮询方式采集。

2.6 LED指示灯及手电筒控制电路

• LED指示灯用于显示短信模块工作状态（初始化、发送中、发送完成）；
• 由单片机GPIO控制，带限流电阻保证安全；
• 手电筒LED作为照明灯，用户通过按键控制开关，增强实用性。

2.7 电源管理模块

电源部分设计为5V/2A稳压供电，确保所有模块正常稳定工作。

• 使用高效率DC-DC稳压模块或线性稳压芯片；
• 电源输入端配置滤波电容和过流保护电路；
• 电源设计考虑模块峰值电流，保证瞬间供电需求。

3. 程序设计

系统程序基于STM32单片机，采用C语言开发。整体结构模块化设计，便于后期维护和功能拓展。主要包含系统初始化、GPS数据解析、GSM短信控制、LCD显示管理、按键处理、LED指示及手电筒控制模块。

3.1 系统初始化模块

负责初始化所有外设，包括时钟配置、UART口、GPIO口、ADC通道及定时器。

void System_Init(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
UART_GPS_Init(); // 初始化GPS串口
UART_GSM_Init(); // 初始化GSM串口
GPIO_Init(); // 初始化按键、LED及手电筒控制口
ADC_Init(); // 初始化ADC，采集电位器数据
LCD1602_Init(); // 初始化LCD1602
LED_Init(); // 初始化LED指示灯
Timer_Init(); // 初始化定时器，用于按键扫描及状态更新
}

3.2 GPS数据采集与解析模块

实时读取GPS串口数据，解析出经纬度、时间和日期信息。

void GPS_Data_Process(void) {
if(GPS_UART_Receive(&gps_buffer)) {
if(Parse_NMEA(gps_buffer, &latitude, &longitude, &date, &time)) {
gps_fix_success = true;
} else {
gps_fix_success = false;
}
}
}

NMEA解析函数将提取GPRMC或GPGGA报文中的定位与时间信息，转换为可显示格式。

3.3 GSM短信控制模块

完成短信的发送和接收，支持远程指令“GET”，自动回复定位及时间信息。

void GSM_Send_Location_SMS(void) {
char sms[128];
sprintf(sms, "当前位置：纬度%s，经度%s，时间%s %s", latitude, longitude, date, time);
GSM_Send_AT_Command("AT+CMGF=1"); // 设置短信文本模式
GSM_Send_AT_Command("AT+CMGS=\\"+1234567890\\""); // 发送到指定号码
GSM_Send_String(sms);
GSM_Send_Char(0x1A); // 发送结束符
}

短信接收部分解析收到的短信内容，若内容为“GET”，则调用发送函数回复数据。

void GSM_Receive_Process(void) {
if(GSM_Receive_AT_Response(&recv_buffer)) {
if(strstr(recv_buffer, "GET")) {
GSM_Send_Location_SMS();
}
}
}

3.4 LCD1602显示模块

实现经纬度和时间日期两种显示界面，用户通过按键切换。

void LCD_Display_Update(void) {
if(display_mode == 0) {
LCD_ShowString(0, 0, "时间:");
LCD_ShowString(0, 1, date);
LCD_ShowString(9, 1, time);
} else if(display_mode == 1) {
if(gps_fix_success) {
LCD_ShowString(0, 0, "纬度:");
LCD_ShowString(0, 1, latitude);
LCD_ShowString(9, 1, "经度:");
LCD_ShowString(14, 1, longitude);
} else {
LCD_ShowString(0, 0, "GPS LINK….");
LCD_Clear_Line(1);
}
}
}

3.5 电位器对比度调节模块

通过ADC读取电位器电压，调整LCD1602的对比度寄存器值，实现动态调节。

void Contrast_Adjust(void) {
uint16_t adc_value = ADC_Read();
uint8_t contrast_level = Map(adc_value, 0, 4095, MIN_CONTRAST, MAX_CONTRAST);
LCD_Set_Contrast(contrast_level);
}

3.6 按键处理模块

响应三个按键操作：

• 按键1：切换LCD显示模式（时间/经纬度）
• 按键2：控制手电筒LED开关
• 按键3：发送短信报告当前位置

void Key_Scan(void) {
if(Key1_Pressed()) {
display_mode = (display_mode + 1) % 2;
}
if(Key2_Pressed()) {
flashlight_on = !flashlight_on;
GPIO_WritePin(FLASHLIGHT_PORT, FLASHLIGHT_PIN, flashlight_on ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}
if(Key3_Pressed()) {
GSM_Send_Location_SMS();
}
}

3.7 LED指示灯控制模块

根据GSM短信模块状态，控制LED指示灯的开关和闪烁状态。

void LED_Status_Update(void) {
if(gsm_initialized) {
LED1_ON();
} else {
LED1_OFF();
}
if(sms_sending) {
LED2_BLINK();
} else {
LED2_OFF();
}
}

3.8 主循环程序

主循环周期性执行GPS数据更新、短信收发处理、LCD显示刷新、按键扫描和状态指示灯更新。

int main(void) {
System_Init();
while(1) {
GPS_Data_Process();
GSM_Receive_Process();
LCD_Display_Update();
Contrast_Adjust();
Key_Scan();
LED_Status_Update();
HAL_Delay(100);
}
}

4. 总结

本基于STM32单片机的智能手表手环系统，整合了GPS定位、GSM短信通信和LCD显示功能，实现了实时定位、时间显示、短信报警和远程指令交互。系统设计合理，硬件模块间接口明确，软件结构清晰，方便后续升级与功能拓展。通过电位器调节液晶对比度和手电筒功能，提升了用户体验。短信状态指示灯使系统状态一目了然。未来可进一步集成更多传感器，如心率监测、运动检测等，实现更全面的智能健康管理功能。