基于GPS 和GSM 的多功能智能拐杖設(shè)計(jì)

仲小英

摘要：為了保障老人出行安全，出現(xiàn)意外情況時(shí)能及時(shí)救助，本文以MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片設(shè)計(jì)一種多功能智能型拐杖；拐杖采用SCA60C單軸傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量拐杖與地平面的角度，根據(jù)設(shè)定的傾角極限角度實(shí)現(xiàn)老人是否發(fā)生摔倒?fàn)顟B(tài)的監(jiān)控與報(bào)警功能；當(dāng)發(fā)生類似摔倒等突發(fā)事故時(shí)，利用GPS準(zhǔn)確定位事故現(xiàn)場(chǎng)，并通過GSM將定位結(jié)果以短消息的方式發(fā)送給監(jiān)護(hù)人手機(jī)，以便于及時(shí)救援。

關(guān)鍵詞：智能拐杖；摔倒報(bào)警；GPS定位；GSM

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）26-0144-03

如今，中國已經(jīng)步入了老齡化階段，隨著年齡的增長(zhǎng)，老年人的生理機(jī)能也逐漸開始衰退，很多時(shí)候老年人為了增加平衡力，出行的時(shí)候會(huì)選擇一把拐杖來支撐自己。但老年人獨(dú)自出行時(shí)安全不能保障，會(huì)為家人帶來負(fù)擔(dān)。如果這把拐杖除了起到支撐作用外，還能在老人發(fā)生緊急突發(fā)的情況時(shí)，及時(shí)的通知到家人，并告知其所在位置的話，就能在一定程度上解決子女的擔(dān)憂。本文利用電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款集摔倒報(bào)警、GPS定位、短信通信等功能于一體的新型智能拐杖。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

考慮到老年人對(duì)拐杖的需求，智能拐杖的設(shè)計(jì)主要利用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一款能實(shí)自動(dòng)現(xiàn)GPS定位與自動(dòng)事故求救等多功能的可收縮拐杖。拐杖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成三節(jié)式，連接把手的第1節(jié)，第2節(jié)套在第1節(jié)外，第3節(jié)套在第2節(jié)外，分別在第1～2節(jié)的下部設(shè)計(jì)卡鈕，第2～3節(jié)的上部設(shè)計(jì)上下間距相等的定位孔[1]，便于使用者調(diào)節(jié)拐杖長(zhǎng)度并固定。把手和第1節(jié)為中空，內(nèi)部安裝以單片機(jī)為主控芯片的gps定位模塊、gsm通信模塊、報(bào)警求救模塊等電路，拐杖把手上裝有蜂鳴器，并設(shè)計(jì)電源、求救和誤報(bào)三個(gè)按鈕，借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)，利用GPS模塊接收地理位置信息，單片機(jī)將篩選出來的GPS經(jīng)緯度信息通過GSM模塊短信通知監(jiān)護(hù)人。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)分為單片機(jī)控制模塊、摔倒事故檢測(cè)模塊、GPS定位模塊、GSM短信通信模塊及其他外圍電路。電源鍵打開，拐杖將開啟動(dòng)智能功能，當(dāng)老人出現(xiàn)身體不適、迷路等危險(xiǎn)情況時(shí)刻按求救鍵，又或發(fā)生摔倒等突發(fā)情況時(shí)，這時(shí)單片機(jī)控制芯片將自動(dòng)開啟GPS電源供電，提取GPS采集到的地理信息，并通過AT指令控制GSM模塊，將求救信息以短信的方式發(fā)送給監(jiān)護(hù)人手機(jī)，同時(shí)單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警，向路人求救。如果是因?yàn)槔先苏`碰了求救鍵，可通過誤報(bào)鍵來消除報(bào)警信號(hào)，停止GPS模塊供電，并發(fā)送安全信息給監(jiān)護(hù)人手機(jī)，以免造成監(jiān)護(hù)人不必要的擔(dān)心。

2.1單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊主要用于根據(jù)事件狀態(tài)，從GPS模塊獲取經(jīng)緯度信息，對(duì)獲取的信息進(jìn)行編碼，將編碼后的信息傳送給GSM模塊，根據(jù)需要GSM模塊將信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)號(hào)碼。

本系統(tǒng)控制模塊采用了美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149單片機(jī)，其是一款具有強(qiáng)大處理能力的16位單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8 MHZ晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns，這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。另外因其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處，故其有超低的功耗，適合在便攜式設(shè)備上使用。

2.2定位模塊

GPS定位模塊主要實(shí)現(xiàn)老人所處位置的準(zhǔn)確定位，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)便于救援人員準(zhǔn)確到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。設(shè)計(jì)采用u-blox公司的MAX-6Q，在其超小型身軀中實(shí)現(xiàn)了 u-blox6 定位引擎的高超性能，能在很短的時(shí)間內(nèi)返回GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信息，專為低功耗和低成本而設(shè)計(jì)。此模塊抗干擾能力強(qiáng)， 有1個(gè)UART接口，支持波特率4.8到115.2kBit/s，信號(hào)輸入輸出電平在0V到VCC范圍，是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，可直接與MSP430F149的UART模塊通信，如圖2所示。

MAX-6Q模塊啟動(dòng)時(shí)間短，冷啟動(dòng)只需26 s，熱啟動(dòng)只需1 s，工作電壓為3.3V，與單片機(jī)工作電壓相同，便于電源供電。此模塊本身提供了最大性能模式和節(jié)點(diǎn)模式兩種不同電源模式的選擇，但如果持續(xù)工作，模塊的功耗還是很大，故采用XC6209F332PR正電壓LDO調(diào)整器芯片設(shè)計(jì)了GPS模塊供電控制電路，如圖3所示。該芯片具有CE功能，可使芯片停止工作，通過單片機(jī)的一個(gè)I/O接口控制CE端，從而有效地控制GPS模塊供電，當(dāng)在不需要GPS數(shù)據(jù)時(shí)，停止對(duì)GPS模塊的供電，有效降低功耗[2]。

2.3 GSM模塊

此模塊是通過一個(gè) GSM 發(fā)射和接收模塊來實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)程控制，選用了西門子公司生產(chǎn)的TC35i，其集成了RS232接口和SIM卡接口，可利用AT指令對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和設(shè)置[3]。單片機(jī)與GSM模塊之間采用UART 串行接口通信，在連接過程中由于STM32單片機(jī)的TXD和RXD是COMS電平，而GSM模塊是TTL電平，故連接時(shí)需要實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，此模塊中采用了美信公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，模塊電路如圖4所示。在此系統(tǒng)中，TC35i直接受單片機(jī)控制，在收到控制信號(hào)后，將單片機(jī)傳送來的信息內(nèi)容發(fā)送給指定的手機(jī)號(hào)碼。

2.4摔倒報(bào)警模塊

此模塊設(shè)計(jì)了兩種報(bào)警方式，一種是一鍵求救報(bào)警，另一種是摔倒自動(dòng)報(bào)警，其中摔倒自動(dòng)報(bào)警電路是通過測(cè)量拐杖與水平面的夾角來判斷是否發(fā)生摔倒事故，當(dāng)接近傾倒極限時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警警示，當(dāng)拐杖倒地時(shí)，單片機(jī)開啟GPS定位，通過GSM模塊將老人所在的位置信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上。該部分電路采用了安裝芬蘭VTI生產(chǎn)的SCA60C單軸傾角傳感器（如圖5），當(dāng)拐杖倒地時(shí)角度傳感器SCA60C 處于水平位置時(shí)，Vo端輸出+0.5V 的模擬電壓。傳感器SCA60C僅可精確檢測(cè)到0～90度的角度范圍，當(dāng)拐杖垂直使使角度傳感器與水平面成90 度的角度時(shí)，此時(shí)Vo端輸出+5V 的模擬電壓。在0～90 度的傾角范圍內(nèi)，Vo 端輸出的是正比于傾角大小的+0.5～+5V 的模擬電壓信號(hào)，當(dāng)拐杖轉(zhuǎn)動(dòng)到使角度傳感器與水平面間的角度從90度到180度的范圍變化時(shí)，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號(hào)，因此通過測(cè)定傳感器SCA60C 輸出端Vo電壓的大小即可確定拐杖與水平面的夾角。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作就是單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行信息讀取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的發(fā)送等操作。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是單片機(jī)與串行設(shè)備之間的串口通信和數(shù)據(jù)處理。 圖6為本系統(tǒng)功能框圖。由于各模塊之間的通信周期是不固定的，故系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用中斷方式。在所有中斷收發(fā)程序中，只完成信息的收發(fā)處理過程，其余處理過程由各對(duì)應(yīng)的功能模塊完成，并做好相應(yīng)的程序接口設(shè)計(jì)，傳遞信息。

3.1 GPS數(shù)據(jù)接收

系統(tǒng)工作過程中，CPU在多數(shù)情況下處于睡眠狀態(tài)，其主要工作在中斷喚醒下才開始。開機(jī)時(shí)系統(tǒng)會(huì)首先初始化，設(shè)置系統(tǒng)串口波特率、啟動(dòng)串口、初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元任務(wù)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制模塊、外圍器件以及GSM和GPS模塊的初始化工作。圖7為GPS數(shù)據(jù)接收中斷處理程序流程圖。

3.2 GPS數(shù)據(jù)的提取和發(fā)送

GPS模塊接收的數(shù)據(jù)協(xié)議是NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，輸出數(shù)據(jù)采用ASCII碼[4]，根據(jù)功能需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需定位，故只提取解碼GPRMC字段（含有經(jīng)度和緯度信息），GPS 數(shù)據(jù)提取和發(fā)送的程序流程如圖8所示。

3.3 摔倒報(bào)警信號(hào)的采集

系統(tǒng)上電時(shí)先對(duì)單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行初始化，使單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)和模式，然后初始化摔倒報(bào)警模塊中的傾角傳感器，便于其正常的監(jiān)控拐杖當(dāng)前的信號(hào)狀態(tài)。接著，系統(tǒng)將進(jìn)行信號(hào)采集，單片機(jī)采集到傾角傳感器的信號(hào)，并將其與臨界值比較，若小于臨界值，則認(rèn)為拐杖歪倒，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)再與極限值比較，若相等，則認(rèn)為發(fā)生摔倒事故，啟動(dòng)GPS模塊定位；否則說明當(dāng)前老人安全，返回信號(hào)采集模塊繼續(xù)對(duì)老人監(jiān)控，如圖9流程圖所示。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，完成了智能拐杖樣品制作，該樣品可實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：

1）定位功能，監(jiān)護(hù)人可以通過手機(jī)發(fā)送定位命令信息，隨時(shí)確定使用者具體位置；

2）追蹤功能，在緊急情況下，GPS能自動(dòng)開啟，并給監(jiān)護(hù)人發(fā)送位置信息；

3）拐杖傾倒自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)使用者摔倒時(shí)，自動(dòng)開啟報(bào)警功能，以便使用者可以得到及時(shí)的幫助，同時(shí)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送位置求救信息。

3）緊急呼救報(bào)警功能，緊急情況下，按下求救鍵，報(bào)警功能開啟，拐杖自動(dòng)將位置求救信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)人。

本項(xiàng)目推廣應(yīng)用后，可以解決老年人、殘疾人因各種原因在摔倒、迷路、身體突發(fā)不適等突發(fā)緊急狀況，幫助監(jiān)護(hù)人第一時(shí)間得到信息并迅速找到使用者，避免進(jìn)一步的意外發(fā)生。隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，關(guān)心和改善老年人、殘疾人的生活質(zhì)量是大勢(shì)所趨，該項(xiàng)目有著廣闊的應(yīng)用前景，具有很好的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

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