摘 要

随着时代的不断变迁与社会的发展，高校校园建设规模日益扩大、功能日趋 完备，学校内的跨区位活动不断增加；大学作为一个相对独立的空间单位，在一 定程度上已经形成了一个“小社会 ”，而当学生参加各种校内外活动或有工作任 务需到某一场所进行时，却往往因为对该地不知所云而导致茫然无措；甚至耽误 任务完成等现象的发生：面对此种情况我们究竟该何去何从?
为解决此类问题，使在校大学生尽快融入大学校园环境之中并更好得适应大 学生活，也为让所有人员更加直观、形象的认识及掌握校园环境状况，本文主要 研究了基于物联网地图服务系统的智慧校园定位与导航系统的设计及应用。该系 统硬件部分采用了 STM32F103C8T6 微控制器+ YED-M780 4G 模块作为设备 接入层， GPS 有源天线获取精确定位信息，OLED 屏作为终端显示设备；通过 MQTT 协议将获取到的位置信息传输给阿里云 IoT 平台，百度地图 SDK 应用 于移动端 APP 中以实现移动客户端对自身当前地理位置的可视化呈现以及最 佳路线规划与导航等操作。开发工具使用 Keil5 嵌入式开发软件编写嵌入式程 序代码， AndroidStudio 完成移动端应用程序的开发工作。
该系统可以达到对校内外人群或物体的实时跟踪、位置查询、最短路径计算 等功能，并能显著提升学校导航系统的智能化程度及管理水平，在实际生活中具 有重要的意义。

关键词 ：物联网；智慧校园；定位与导航；STM32

Abstract

With the continuous changes of the times and the development of society, the scale of campus construction in universities is expanding and their functio ns are becoming increasingly complete, and cross regional activities within the campus are constantly increasing; As a relatively independent spatial unit, unive rsities have formed a “small society” to a certain extent. However, when stude nts participate in various on campus and off campus activities or have work ta sks that need to be carried out in a certain place, they often feel lost and con fused because they have no idea about the place; The occurrence of phenomen a such as delaying task completion: Where should we go in the face of this si tuation?
To solve such problems, enable college students to integrate into the camp us environment as soon as possible and better adapt to university life, and also to enable all personnel to have a more intuitive and vivid understanding and grasp of the campus environment, this article mainly studies the design and ap plication of a smart campus positioning and navigation system based on the In ternet of Things map service system. The hardware part of the system adopts STM32F103C8T6 microcontroller and YED-M780 4G module as the device acc ess layer, GPS active antenna obtains precise positioning information, and OLE D screen serves as the terminal display device; The obtained location informati on is transmitted to the Alibaba Cloud IoT platform through the MQTT protoc ol, and the Baidu Map SDK is applied to the mobile app to achieve visual pr esentation of the mobile client’s current geographic location, as well as optimal route planning and navigation operations. The development tool uses Keil5 em bedded development software to write embedded program code, Android Studio completes the development of mobile applications.
This system can achieve real-time tracking, location query, shortest path ca lculation and other functions for people or objects inside and outside the schoo l, and can significantly improve the intelligence and management level of the s chool navigation system, which is of great significance in practical life.
Key Words ：Internet of Things; Smart campus; Positioning and navigation; STM32

目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 论文的研究内容 3
2 系统整体方案设计与器件选型 4
2.1 系统整体方案设计 4
2.2 主要器件选型 4
2.2.1 STM32 单片机模块 4
2.2.2 YED-M780 4G 模块 5
2.2.3 OLED 显示模块的选择 6
3 系统硬件设计 8
3.1 核心控制器 8
3.1.1 单片机芯片 8
3.1.2 电源电路 8
3.1.3 晶振电路 9
3.1.4 复位电路 9
3.2 YED-M780 4G 模块 9
3.3 OLED 显示模块设计 10
4 系统软件设计 12
4.1 主要技术和开发平台 12
4.1.1 C 语言 12
4.1.2 Keil5 实验平台 12
4.2.3 Android 和 Android Studio 开发工具 13
4.2.4 百度地图服务 14
4.2 系统主程序设计 15
4.3 串口程序设计 16
4.4 YED-M780 4G 模块程序设计 17
5 系统测试 19
5.1 硬件电路调试 19
5.2 软件调试 20
5.3 结果分析 20
结束语 21
参考文献 22
致 谢 23

1 绪论
1.1 研究背景与意义
自教育部办公厅发出《关于加快推进教育系统政务信息化建设的通知》之后， 全国各地的大学都非常重视它，当时互联网技术发展迅速，这无疑是大学的一个 很好的机会[1] 。全国重点大学信息化建设发展迅速，重点大学网站建设水平快 速提升，前景广阔。开发的各种应用程序也可以在不同部门很好地使用，办公自 动化程度越来越好[2] 。此外，不仅信息技术的发展迅速，大学本身也在发展， 这与以前的教育环境有着明显的不同。大型大学正在不断扩建校园。校园的入口 就像一个小公司，校园里有各种各样的建筑。虽然它很壮观，但也带来了一些问 题，因为这些建筑不规则且分布广泛。一些大学会在建筑物的外面标记名字，以 便教师和学生更好地识别。这实际上是一种有效的方法，即使只知道大致的方向， 也可以通过名称来识别，最多需要更多的时间。但并非每所学校都会这样贴标签。 没有标签，这对一年级学生来说是一个非常棘手的问题。他们第一次进入校园时 非常陌生，不知道自己在哪里。很难理解办公室的位置、场地的位置以及教学楼、 餐厅、宿舍等的位置。.也许你在大学的四年里没有去过偏远的地方，甚至不知 道它们的存在，这对学校绝对不好。对于外人来说，他们对学校的了解甚至更少， 他们只能通过在线搜索或校园员工的解释来模糊地了解[3] 。因此，有必要设计 和开发一个具有我校特色的校园导航系统。
本文设计开发的基于室内室外融合定位技术以及无线传感器网的校园定位 与导航系统能够对校园内的师生员工、重要仪器设备、贵重物品进行实时精准的 定位跟踪，并且支持路径规划功能；方便学生、教师查找所在位置附近的教室、 实验实训中心、图书资料室等教学生活设施的位置信息；并能快速准确的查询到 所要寻找的对象或设备的具体位置，在一定程度上缓解了目前高校普遍存在的 “找人难 ”、“找物难 ”的问题；此外，通过对重点目标对象的监控也可以有效 保障校园的安全稳定运行。由于该系统的应用范围比较广，除了在学校中发挥重 要作用外，还可以拓展至宾馆酒店、工厂车间等类似的封闭式环境或者半开放式 环境中，以解决其中出现的相关难题。所以其研究具有一定的现实指导作用和理 论指导意义。
1.2 国内外研究现状
（1）国外研究现状
LBS（基于位置的服务）是指将个人位置信息与公共资源相结合的基于位置 的业务。美国是第一个提出这一概念的国家，在早期推动这项技术发展的不是用 户需求，而是负责这项技术的监管机构[4] 。美国联邦通信委员会于 1996 年提出 了 E911 ，它指的是一种可以在任何地方跟踪用户位置的服务，无论他的位置如

何，只要他们使用无线网络信号。随着 E911 在美国的推出，一些欧洲国家也提 出了类似的服务，如 E112[5] 。如今，随着信息技术设计的不断加强，智能移动 设备的使用越来越普及，相应的基于位置的应用软件也在不断增长。
在 LBS 服务开始时，主要目标是路线规划。早在 2004 年 5 月，谷歌就决定 购买 Keyhole 开发的地图软件。2009 年 3 月，Foursquare 推出，这是世界上第一 款基于移动位置的社交网络产品，极大地促进了基于位置的应用程序的发展。在 短短一年内，Foursquare 已经拥有超过600 万用户，并且每天增加约2.4 万用户[6]。 得益于此次推广，Foursquare 和 Google+LBS 推出了他们的谷歌域名。
哈佛大学和麻省理工学院等外国大学早在 2010 年就推出了官方移动应用程 序。除了发布新闻、公告和其他信息外，国外申请还整合了学校资源的独特信息， 如课程信息、评估和当地餐饮信息，提供在线学习和生活服务信息。
（2）国内研究现状
我国 LBS 行业也在快速发展，国内较大的公司如 Amap、美团、饿了么等。， 长期以来，他们一直在运行自己的定位服务[7] 。这项服务的发展模式主要分为 以下几类：（1）一种休闲娱乐，主要使用某些激励措施来满足用户的虚荣心， 例如用户可以按地点注册，然后获得一定的积分奖励或现金奖励；（2） 社交型， 这种类型的应用程序结合了 LBS 和 SNS ，基于用户的地理位置信息，然后整合 该位置的人和相关资源信息，使同一位置的人有更多的机会联系和交流，大大提 高了用户沟通的成本，建立了用户之间的关系；（3） 生活服务类型是指为用户 提供更好的途径，以获取他们感兴趣的附近地点的信息，如餐馆、银行等；（4） 商业性，主要表现为 LBS+团购模式和折扣信息促销服务。这些应用程序主要在 服装、食品、住房和交通领域为用户提供服务，这也是用户最感兴趣的方面。有 同质化的趋势，各种应用程序开发人员也在寻找新的经济增长点[8]。
随着技术的不断发展，智能手机和平板电脑等智能设备正变得越来越高端。 教师和学生也使用这些智能设备来提高他们的生活和工作质量。此外，国内高校 已基本实现校园无线网络的全覆盖，各种移动应用正在涌现。这使得大学教师和 学生更渴望获得与他们的工作、学习和生活密切相关的应用软件。这一趋势可以 迅速促进高校信息化建设。同时，这不仅是高校师生的需求，也是学校管理的愿 望。大学对移动网络的教学、研究和管理活动的日益依赖，对大学移动信息技术 建设提出了新的要求。一些当地大学已经认识到这一趋势，并开发了相应的校园 应用程序。例如，清华大学推出了一款名为“AtTsinghua”的应用软件，该软件终 于支持查看每栋教学楼的日常交通分布并能够查询空置教室的功能，这样学生就 不会在不同的建筑之间匆忙寻找教室。北京大学还开发了一款名为“颐和园五号” 的移动应用程序，通过智能终端将校园信息服务与校园用户有效地结合在一起。

它不仅使教师和学生能够及时接收校园信息，而且提高了教师和学生在校园内获 取有效信息的效率[9] 。这些针对各大学的移动应用表明，在校园内提供独特位 置服务的移动应用已成为教育信息化建设的下一个热点。
1.3 论文的研究内容
物联网(IoT)作为智慧校园定位与导航系统的底层支撑，能够实现物与物之 间以及人与物之间的连接；而室内室外定位技术则是实现校园内部师生员工、设 施物品具体空间位置信息的关键所在，本文选择使用 Wi-Fi 、蓝牙信标或者 UWB 等进行定位；无线通讯技术(比如 LoRa 或者 Wi-Fi)可以对获取的具体位 置信息进行及时上传至服务端以保证数据的时效性与完整性；最后利用数据库相 关技术搭建校园的地图数据库以及设备位置数据库，储存具体的地理坐标点位信 息、路径信息以及定位记录等相关数据以便于后续定位导航的功能需求。综上所 述，本文基于以上多种关键技术构建了基于 IoT 的智慧校园定位与导航系统。

2 系统整体方案设计与器件选型
2.1 系统整体方案设计
智慧校园定位与导航系统总体架构主要由 STM32 主控模块、YED-M780 4G 模块、OLED 显示模块、GPS 有源天线、安卓 APP 等组成。它们的系统整体框 图如图 2-1 所示：

图 2-1 系统框图

该系统的硬件部分由 STM32 主控模块、GPS 有源天线、YED-M780 4G 通 信模组和 OLED 显示模块组成；软件部分包括 STM32 主控程序(主要负责 GPS 数据接收、解析及上传) 、 YED-M780 4G 通信模组驱动程序以及 Android APP 程序等三个子模块。其中， GPS 有源天线获取高精度的位置信息并通过串 口传送给 STM32 主控模块，STM32 主控模块对接收到的数据进行初步处理之后 再将其发送给 YED-M780 4G 通信模组，后者通过中国移动网络将定位数据上传 到阿里云物联网平台；阿里云物联网平台则负责定位数据的存储和计算并将结果 返回到 Android APP 中；最后，OLED 显示模块根据接收到的信息在本地实时显 示相关信息。STM32 主控模块作为整个系统的“大脑 ”，负责各个模块之间的 调度控制工作，从而保证了系统的整体运行效率。
2.2 主要器件选型
2.2.1 STM32 单片机模块
在智慧校园定位与导航系统中，STM32 微控制器的选型至关重要。STM32 系列单片机基于高性能 ARM Cortex-M 内核，产品线丰富，按性能可分为入门级 STM32F0 、基本级 STM32F1 、高性能 STM32F2 和 STM32F4 系列，以及超低功 耗的 L 系列等[10]。
本设计选用高性 能 、低成本 、低功耗且最常用系列 的 M3 核单片机

STM32F103C8T6 ，该片外设多，内置硬件 SPI、IIC 及多个串口通讯功能，可轻 松连接光敏传感器、人体红外传感器、无线通信模块等多种外部设备，实现数据 的采集、传输与控制。低功耗特性也十分突出，提供多种低功耗模式，在无人活 动时可使系统进入低功耗状态，有效降低能耗，延长设备使用寿命。其搭载的 12 位模数转换器可实现多路采集。主频 72MHz ，64KB Flash/20KB RAM[11] 。 工作电压 1.8V-3.6V ，可设置低功耗模块，每个 I/O 端口具备第二功能设计，端 口输出电流最高达 25mA 。该芯片价格在人名币十元左右，性价比高，其开发资 源丰富，Keil MDK 等开发工具支持完善，方便开发者进行软件开发与调试，缩 短开发周期[12] 。常用封装为 LQFP-48 ，体积小，实物图如图 2-2 所示。

图 2-2 STM32 单片机实物图

2.2.2 YED-M780 4G 模块
由于工作频率为 780 MHz ，YED-M780 能够避开国内大量存在的 2.4 GHz、
433 MHz 等频点拥挤区域而拥有更好的稳定性；另外 UHF 频段的特点使得它的 穿墙能力和绕射能力都比传统的 2.4 GHz 更好一些，因此在开阔地带可以达到 超过 1.5 km 的传输范围，非常适合用于无线传感器网络以及有源 RFID 领域。 而且，它采用了 DSSS 直序扩频方式，相比传统的跳频方式有更好的抗干扰性 并且传输速度更快(无线带宽是 2 Mbps) ，同时低功耗的设计使其在相同的发射 功率情况下拥有了更高的穿透性和更大的通讯半径，配合 STM32 系列 MCU 可 以使单次发送间隔时间设置到约 30s，使用一块 2700 mAh 的电池可以维持长达 四年的使用寿命。除此之外还集成了 GPS 和北斗基带定位系统，实现了物联网 数据的透明转发功能，内置 TCP/MQTT 协议栈，通过丰富的串口， SPI ，IIC 等外设接口方便用户进行二次开发以适应各种不同的物联网场景需求。

图 2-3 YED-M780 4G 模块实物图

2.2.3 OLED 显示模块的选择
本设计选用OLED 作为液晶显示屏，其以其丰富的显示内容、清晰的可读 性和合理的价格而著称。在众多的液晶显示设备中，液晶显示器以它独有的优点 而得到了广泛地应用。该设备具备展示多行文字和数字数据的能力，能够满足各 种不同的显示需求。在使用时只需将屏幕上的数据或图形通过数据线传送到计算 机中去即可。其接口设计简洁，编程方便，在显示控制方面更为便捷。在综合权 衡显示效果、成本以及应用需求等多个因素后，决定采用 OLED 显示屏作为本 次设计的主要显示模块。OLED 显示模块实物图如图 2-4 所示。

图 2-4 OLED 显示模块实物图

3 系统硬件设计
3.1 核心控制器
3.1.1 单片机芯片
STM32 系列是 ARM 的基础 Cortex-M3 内核的构建，不需要那么高的性能、 STM32 在 72MHz 的时间段内具有 36mA 的功率它具有功能强大、结构简单的优 点，广泛应用于各种嵌入式系统中。根据其性能特点，该产品可分为两大系列： STM32F103 增强型系列和 STM32F101 基本型系列。增强型芯片具有更高的性能 管理能力，可以在确保硬件可靠性的同时有效降低系统功耗，从而提高整个处理 器系统的整体性能。扩展串行时钟的频率高达 72MHz ，使其在同类产品中表现 出色；与 16 位产品的定价相比，36MHz 基时钟频率显著提高了其性能，使其成 为 16 位产品用户的首选。此外，它还提供了一个可用于存储数据的内置存储器。 这两个系列都配备了 32K 到 128K 的闪存，但它们之间的主要区别在于 SRAM 的最大存储容量和外部接口的组合。通过使用双缓存结构，芯片具有更高的读写 效率。STM32 的时钟频率为 72MHz ，在执行闪存代码时消耗 36mA ，使其成为 32 位市场上最强大的设备，功耗约为 0.5mA/MHz。

图 3.1 STM32 最小系统电路
3.1.2 电源电路
电源是整个 PCB 的电源，支持 MCU 和各种其他外围设备的运行。电路如 图 3.1 所示。由于终端需要为传感器和 LoRa 模块供电，因此系统需要两个电源， 5V 和 3.3V 。这里，AMS117-3.3（输出电压为 3.3V 的前向低压降稳压器）用于 将输入电压从 5V 稳定到 3.3V 。其中，输出滤波电容器 C26 和 C27 的功能是抑 制自激振动并稳定线性控制器的输出；C28 和 C29 是用于防止电源故障后电压反 转的输入电容器。此外，为了便于调试，增加了电源开关 K1 。该设计的电路如

图 3.2 所示：

图 3.2 电源电路图
3.1.3 晶振电路
如图 3.3 所示为该系统的时钟电路，由其为本系统提供运行时钟。在该电 路中，由 11.0592MHz 晶振产生外部高速时钟信号。电路如图 3.3 所示。

图 3.3 晶振电路图
3.1.4 复位电路
为了在启动或重置过程中控制 MCU 的重置状态，为最小系统电路配备了重 置电路，以防止 MCU 发出不正确的指令或执行不正确的操作。图 3.2 所示的复 位电路实现了低电平复位。当接通时，RESET 端子处于低电平，然后 VCC3.3 电源通过电阻器 R6 对电容器 C2 充电。充电完成后，RESET 端子保持高电平并 完成复位；当按下重置按钮时，电容器 C2 开始放电。RESET 端子保持低电平。 松开按钮后，电容器 C2 开始充电。此时，RESET 端子在一段时间内保持低电平。 电容器 C2 充满电后，RESET 端子返回高电平并完成复位过程。

图 3.4 复位电路图
3.2 YED-M780 4G 模块
YED-M780_4G 模块与 STM32 硬件引脚相连主要是利用 UART 接口来完

成数据传输，YED-M780 支持 UART，采用 TX 和 RX 引脚来进行异步串行通 讯，STM32 同样支持 UART 接口可以设置成与 YED-M780 相同的通信参数；
只需要把 YED-M780 的 TX 连接至 STM32 的 RX，并且把 RX 连接至 STM3 2 的 TX 并且共地就可以了.通过 AT 指令对两者进行通讯控制，当 STM32 初 始化好 UART 后就可以向 YED-M780 发送 AT 指令去控制该模块的工作状态， 然后接受来自 YED-M780 回来的信息并对这些数据加以分析、判断。

图 3-5 YED-M780 4G 模块电路图
3.3 OLED 显示模块设计
该系统的显示模块使用了 0.96 英寸的OLED 显示屏 SD1306。该模块具有低 功耗，低电压驱动能力以及良好的动态特性等特点，可广泛应用于各类嵌入式产 品中。相较于多引脚 OLED 显示器，OLED 显示器具有更少的引脚、更薄更明亮、 视角更宽、能够自动发光、响应更快、适应更广泛的温度范围、更强的抗冲击性， 并能在低功率下实现软显示，从而展示出卓越的性能。OLED 负责产生背光，而 OLED 显示屏则不具备这一功能。这使得它成为了未来便携式设备中不可或缺的 部分之一。另外，虽然 OLED 的体积相对较小，但其高分辨率是不容忽视的， 通常使用的分辨率是 128*64 ，因此 OLED 被视为下一代新兴的显示应用技术。 这个显示模块支持使用 SPI 或 I2C 作为通讯手段，并且最多提供 4 个接口供用户 操作。由于需要连接到显示器上才能看到图像，所以需要一个专用数据线。这个 设计是基于 I2C 的通信模式进行的。如图 2-6 所示：

图 2-6 OLED 显示模块电路