基于單片機的多功能智能拐杖設計

洪亭軒 薛玉利

摘 要：針對老年人記憶力減退、腿腳不便、 盲人視力導致生活不便等問題，文中設計了一款多功能智能拐杖，能夠為老年人和盲人提供行走支撐、實時監(jiān)控、及時求救、障礙物報警、告知使用者當前的方位和時間、緊急情況下向家人求助等功能。該拐杖符合老年人和盲人的生活需求，有助于安全出行，保障他們的人身安全。

關鍵詞：智能拐杖;GSM通信;語音識別;GPS定位;單片機;安全出行

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

中國在2000年開始步入老齡化社會，目前已成為世界上老年人口最多的國家之一。老年人身體機能的衰退給出行帶來極大不便，腿腳不便的老年人會選擇拐杖輔助出行[1]。同時中國還是全世界盲人最多的國家之一。一般情況下，盲人的出行只能依靠拐杖或導盲犬。由于培養(yǎng)一只良好的導盲犬需要花費較長的精力和較高的成本，因此更多的人選擇拐杖[2]。然而傳統(tǒng)的拐杖只是一根長棍，結構簡單、功能單一，存在一系列問題。

國內有不少人對智能拐杖做了研究，仲小英[3]設計的智能拐杖采用GSM通信和GPS定位技術，但沒有考慮到老年人夜晚行走的情況，如果在光線不好的情況下，老人可能因為視力下降而被障礙物絆倒，從而發(fā)生意外。景婷婷[4]等人設計的智能拐杖采用紅外避障，使用時極大地受到環(huán)境因素的限制。王玉花[5]和魏慶麗[6]等人設計的智能拐杖增加了手機APP功能和顯示屏，但對于不會使用智能手機的老年人來說反而增加了使用難度。本文通過采用超聲波測距設計并加入夜晚模式，能夠更好地保護老年人或盲人的出行安全。本設計定位明確，專為老年和盲人群體設計，簡化了拐杖結構，操作簡單，方便實用。

1 系統(tǒng)的總體設計

整個系統(tǒng)主要由單片機控制、GPS定位、語音識別、GSM通信、障礙物報警、摔倒檢測、語音播報和燈光警示等模塊組成。系統(tǒng)上電后，拐杖開啟智能模式，使用者在行走中，拐杖檢測到前方障礙物，會語音提示報警;使用者不慎摔倒時，拐杖會發(fā)出警報聲，引起周圍行人注意并實施援救，若拐杖傾斜15 s，單片機將自動控制GSM通信模塊，向監(jiān)護人發(fā)出求救短信;當使用者預感到身體不適，可按下求救鍵，直接向監(jiān)護人發(fā)送求救信息;若因操作不當，誤發(fā)了求救短信，使用者還可按下誤報鍵，向監(jiān)護人發(fā)送安全信息，避免引起監(jiān)護人不必要的擔心;使用者可以語音控制家用電器的開關，實現(xiàn)了家用電器的智能控制。拐杖操作簡單，功能實用，能夠滿足老人和盲人的生活需求[7]。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 單片機控制模塊

該模塊采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，它具有功耗低、抗干擾能力強等特點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，速度最快可達傳統(tǒng)8051單片機的12倍。該單片機運行穩(wěn)定，可長時間在智能拐杖系統(tǒng)中工作，適合在拐杖這種便攜式設備上使用[8]。

2.2 GSM通信模塊

該模塊包括一個RF天線和一個接收模塊，可實現(xiàn)求救短信的發(fā)送，監(jiān)護人可對使用者進行遠程監(jiān)護。該拐杖選用的是Air208模塊，兼容SIM900A指令、尺寸小、省電，能夠滿足智能拐杖的通信要求。單片機與GSM模塊之間的通信采用UART串行口通信，GSM模塊直接受單片機的控制。當拐杖檢測到使用者摔倒后，自動向監(jiān)護人發(fā)送求救短信，監(jiān)護人收到的手機短信如圖2所示。

2.3 GPS定位模塊

GPS定位主要實現(xiàn)使用者所在位置的準確定位，當使用者面臨突發(fā)情況時便于監(jiān)護人及時發(fā)現(xiàn)其位置，實施救援。該拐杖選用的是GT-U7模塊，該模塊啟動時間短、功耗低、體積小，極高的追蹤靈敏度擴大了定位的覆蓋面積。當使用者摔倒或遇到危險時，其位置可通過GSM通信模塊發(fā)送到監(jiān)護人的手機上。在復雜的城市街道可實現(xiàn)高精度定位，方便監(jiān)護人第一時間找到走失老人的位置[9-10]。

2.4 語音識別模塊

該模塊由語音輸入、語音識別、無線傳輸等部分組成。LD3320芯片用于語音識別，能夠識別人發(fā)出的非特定語音，語音信號經過處理轉化為電平信號傳送到單片機，經單片機處理后，來控制家用電器的開關，如語音控制電燈的開關，該模塊的控制流程如圖3所示。

2.5 障礙物報警模塊

該模塊使用超聲波測距，利用發(fā)射器發(fā)射超聲波，同時單片機開始計時，當超聲波接收器接收到障礙物反射的回波后，單片機停止計時。這段時間為Δt，將空氣中超聲波的傳播速度設為v，利用s=v×Δt，就能夠計算出超聲波模塊發(fā)射點距障礙物的距離s。該模塊可實時檢測距前方障礙物的距離，當測量值小于程序中設定的安全距離時，系統(tǒng)會語音提示使用者。

3 軟件設計

多功能智能拐杖的軟件程序包括系統(tǒng)啟動、參數設置、障礙報警、語音控制及狀態(tài)檢測等子程序。本系統(tǒng)的軟件設計采用性能可靠的C語言編寫，具體流程如圖4所示。

4 結 語

針對老人和盲人日常出行不便等問題，本文設計實現(xiàn)的多功能智能拐杖能夠為老年人提供行走支撐、實時監(jiān)控、及時求救等功能，為盲人提供障礙物提醒、告知盲人當前的方位和時間、緊急情況下向家人求助等功能。符合老年人的需求，使老年人擁有一個健康安全的晚年。同時能夠提醒盲人前方路況，幫助他們避開障礙物，告知他們所處位置，有助于盲人出行，降低事故發(fā)生的概率，保證他們的人身安全。本設計克服了傳統(tǒng)拐杖結構簡單、功能單一、無法實時監(jiān)控、及時求救的弊端，可對老年人出現(xiàn)意外情況及盲人出行等問題提供一定的幫助。

參 考 文 獻

[1]朱偉，萬福成，楊土明.老年人拐杖的智能設計研究[J].長江大學學報（自科版），2014，11（22）：61-63.

[2]賈丹平，王巖，王陽，等.多功能盲人智能拐杖的設計[J].電子設計工程，2016，24（14）：136-138.

[3]仲小英.基于GPS和GSM的多功能智能拐杖設計[J].電腦知識與技術，2015，11（26）：144-146.

[4]景婷婷，陸小左，傅琳潔.老年人多功能智能拐杖的設計與實現(xiàn)[J].電子產品世界，2015，22（7）：40-42.

[5]王玉花，李璐，張長史.基于CC3200的GPS定位智能拐杖設計[J].儀器儀表用戶，2017，24（2）：8-10.

[6]魏慶麗，許鵬，李軍，等.基于MSP430的GPS定位智能拐杖設計[J].吉林大學學報（信息科學版），2012，30（5）：445-449.

[7]魏爽.一種利用人工神經網絡優(yōu)化語言識別的方法[J].數字技術與應用，2017（10）：228：229.

[8]禹琳琳.語音識別技術及應用綜述[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（13）：43-45.

[9]馬志欣，王宏，李鑫.語音識別技術綜述[J].昌吉學院院報，2006（3）：93-97.

[10]王文慧.基于ARM的嵌入式語音識別系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學，2008.