智能拐杖的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王軍 李慧濤 劉娜

摘 要：本文設(shè)計了一種以STM32F103C8T6為核心控制器的智能拐杖?？梢詫?shí)現(xiàn)GPS定位、呼救、報警、避障等功能。設(shè)計中采用了多類型的傳感器復(fù)合型求救系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)報警的誤報、漏報、錯報的幾率。基于GPS的智能拐杖可保障老人、盲人等弱勢群體的出行安全，避免弱勢群體碰到危險無法自救，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：GPS定位;超聲波避障;STM32F103單片機(jī);傾斜判斷

1 總體方案設(shè)計

智能拐杖的主控芯片是單片機(jī)STM32F103C8T6，其連接各個模塊以實(shí)現(xiàn)所需功能，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。GPS模塊[1]負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星發(fā)出的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給單片機(jī)。按下按鍵GSM模塊[2]發(fā)送數(shù)據(jù)給指定用戶。超聲波避障傳感器負(fù)責(zé)判斷前方是否有障礙物，并將該信號經(jīng)由電路發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)程序控制蜂鳴器工作，并與用戶設(shè)定的報警值進(jìn)行比較。如果超過報警值則報警。傾角傳感器測量拐杖的角度，以判斷拐杖的狀態(tài)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）為使用者提供位置信息，以及作為呼救的前置手段。信息會發(fā)送到已設(shè)定號碼的手機(jī)中;

（2）提供險情求救功能，用于保障老人不會丟失以及戶外愛好者的求救信號發(fā)送;

（3）測量拐杖的角度。配合蜂鳴器用于判定老人是否摔倒;

（4）超聲波避障傳感器檢測前方有20cm范圍內(nèi)存在物體，則蜂鳴器報警，用于保障盲人的安全出行。

根據(jù)上述設(shè)計，結(jié)合實(shí)際情況，可確定系統(tǒng)所用模塊的器件選型。本系統(tǒng)采用STM32系列中的STM32F103C8T6為單片機(jī)控制器;GSM采用SIM900A GSM/GPRS模塊;GPS采用NEO-7N-0-002-GPS芯片[3]，非常適用于手持設(shè)備;超聲波避障采用US-015超聲波模塊;電子圍欄模塊主要由程序完成;傾角傳感器采用MPU6050芯片;語音播報模塊采用SYN-6288芯片。

本次系統(tǒng)設(shè)計將GPS與GSM通信相結(jié)合，需要完成突發(fā)情況自動報警求救功能。SIM900A的動作基本都通過AT命令設(shè)置，傳輸所能達(dá)到的速度為85.6 kbps。GPS負(fù)責(zé)處理經(jīng)緯度信息，并將其發(fā)送到相應(yīng)的端口，最終經(jīng)過GSM發(fā)送給所要求助的人。MPU6050傾角傳感器主要進(jìn)行摔倒判斷。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)接上電源之后按下開始開關(guān)，整個系統(tǒng)就開始運(yùn)作。接著就是將紅外信號發(fā)送出去，再由系統(tǒng)接收回來，經(jīng)過模塊里面的程序處理，通過特定的算法可計算出距離。當(dāng)與前方物體的距離在檢測范圍之內(nèi)時，蜂鳴器不會發(fā)出聲音，直到超出測量范圍，才不會語音報警。電路板的傾斜狀態(tài)決定是否觸發(fā)摔倒報警。當(dāng)使用者滿足觸發(fā)摔倒判定條件時，超過15秒沒有按下解除報警按鈕，就會自動將求救消息發(fā)送出去，從而起到對人的保護(hù)作用。

系統(tǒng)主程序流程圖2所示。在主程序開始運(yùn)行前需要先將NVIC中斷分組設(shè)置，確定延時時間，設(shè)定定時器的計數(shù)頻率為10Khz，初始化led所用的PA8和按鍵所用的PA0引腳，初始化IO串口波特率為9600b/s，led初始狀態(tài)為0打開，蜂鳴器初始狀態(tài)為1打開，所使用的是PC13引腳。然后延時500ms，關(guān)閉蜂鳴器。初始化MPU6050，讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。初始化GSM模塊，設(shè)定字符集，延時1秒，設(shè)定文本模式，延時1秒。關(guān)閉LED燈。進(jìn)行方位狀態(tài)判斷，出現(xiàn)異常，則啟動語音播報模塊報警提示，摔倒標(biāo)志置1;沒有異常，延時計數(shù)為0，摔倒標(biāo)志為0;判斷結(jié)束，清空檢查計數(shù)和錯誤計數(shù)。如果摔倒標(biāo)志為0并且檢測到前方存在物體則語音播報模塊報警，這個報警距離設(shè)定為50cm內(nèi)。因摔倒報警超過15秒，打開LED燈，設(shè)定字符集、文本、求救號碼，每個動作延時700ms。設(shè)定求救信息，判斷有無GPS信號，如果有求救信息添加經(jīng)緯度，否則添加gps linking...;延時200ms，發(fā)送求救信息。延時700ms，關(guān)閉LED燈，清除延時計數(shù)，按鍵延時計數(shù)清零。如果按下按鍵，清除延時計數(shù)，按鍵延時計數(shù)清零，關(guān)閉蜂鳴器。GPS模塊主要進(jìn)行經(jīng)緯度的處理，角度傳感器主要進(jìn)行X軸的判斷比對。然后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較完成相應(yīng)的各種功能。

3.系統(tǒng)調(diào)試與測試

系統(tǒng)測試前先要進(jìn)行調(diào)試[4]，在焊接時由于直接相交線過多，為了方便觀看與焊接，多采用跳線進(jìn)行焊接，實(shí)物如圖3所示。在焊接完成以后采用分模塊調(diào)試法，分別將MPU6050傾角傳感器、US-015超聲波傳感器、GSM_SIM900A模塊、NEO-7N GPS模塊的功能單獨(dú)測試;US-015超聲波傳感器[5]獨(dú)立于其他模塊，主要和蜂鳴器電路配合完成回避前方障礙物的功能;MPU6050傾角傳感器主要進(jìn)行角度傾斜判斷，結(jié)合蜂鳴器電路進(jìn)行報警，結(jié)合GSM_SIM900A模塊和NEO-7N GPS模塊進(jìn)行求救以及發(fā)送位置信息，通過指示燈及相關(guān)現(xiàn)象檢查是否符合預(yù)期。在模塊的調(diào)試過程中，從局部到整體依次依次進(jìn)行調(diào)試，以確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在正確完成本次實(shí)物的焊接后，由于考慮到拐杖的使用環(huán)境，故將US-015超聲波傳感器的報警距離設(shè)為50cm，觸發(fā)老人跌倒判斷后設(shè)定15秒的解除報警時間，用于避免誤報警。當(dāng)檢測前方50cm內(nèi)存在障礙物時，報警裝置會發(fā)出報警信息。當(dāng)物體距離電路板20cm內(nèi)時，蜂鳴器發(fā)出警報;當(dāng)障礙物消失或者遠(yuǎn)離則停止報警。發(fā)送的求救短信有兩種，一種是GPS模塊收到的位置定位信號，此時會發(fā)送help me和經(jīng)緯度信息;否則會發(fā)送help me和gps linking信息。

4.結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計了一種以STM32F103C8T6為控制器的智能拐杖，可實(shí)現(xiàn)GPS定位、呼救、報警及避障等功能。硬件方面根據(jù)實(shí)際情況選用了能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的傳感器，軟件方面通過各子程序的相互配合實(shí)現(xiàn)各種功能，從而降低了系統(tǒng)的誤報、漏報及錯報的幾率。同時設(shè)計按鍵電路對呼救功能加以保障，避免弱勢群體碰到危險無法自救，滿足了用戶的基本需求。

參考文獻(xiàn)

[1]于超越. 基于單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[C].互聯(lián)網(wǎng)論文庫， 2016.

[2]杜春雷. ARM結(jié)構(gòu)體系和編程[M].清華大學(xué)出版社.2009， 18～19.

[3]辛春霞.項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)探索--紅外報警器的分析與制作[J].科技視界， 2013， 30： 235～236.

[4]景雷. 行駛工況數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開發(fā)與系統(tǒng)集成[D].天津理工大學(xué)， 2014.

[5]嵇萍. 基于單片機(jī)的自動避障小車設(shè)計[J]. 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2013， 01：39～41.

作者簡介：王軍，男，寧夏理工學(xué)院，寧夏石嘴山市大武口區(qū)，助教，研究方向：無線通信技術(shù)