基于STM32單片機的新型智能拐杖設(shè)計

鄒力棒 賴子龍 李欣 張書林

摘 要：針對市場上功能單一的普通手持拐杖已經(jīng)無法保障拐杖使用者安全外出的問題。本文設(shè)計了一款具有GPS定位、溫濕度播報、障礙預(yù)警等新穎功能的新型智能拐杖，以保障拐杖使用者外出時的安全，為拐杖使用者提供便利。該新型智能拐杖具有操作難度低、實用性強、成本低等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：智能拐杖;STM32單片機;摔倒預(yù)警;溫濕度測量

在人口老齡化趨勢嚴峻、外地就業(yè)人口日漸增長的形勢下，老人的獨居率逐漸增高。此外，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，我國是世界上盲人最多的國家，2022年我國盲人數(shù)量已經(jīng)突破1730萬。面對大量的獨居老人以及盲人群體，新型智能拐杖市場具有良好前景。經(jīng)過調(diào)研得知，目前市場上的拐杖功能太過單一，僅有少量新型的拐杖功能較為新穎，但由于其售價過高，并不適合大部分的拐杖使用群體。綜合上述兩方面，對于拐杖使用者而言，需要一款價格合理、功能齊全的新型智能拐杖，因此設(shè)計該款新型智能拐杖意義深遠。

一、總體設(shè)計

本文設(shè)計的新型智能拐杖以STM32f103系列單片機為核心，外接摔倒預(yù)警模塊、GPS定位模塊、緊急呼救模塊、語音播報模塊以及溫濕度測量模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當使用者預(yù)設(shè)安全距離內(nèi)存在障礙物時，系統(tǒng)自動報警提醒使用者在某方向上存在障礙物;當使用者遇到摔倒受傷后無法站立等緊急情況時，可通過緊急呼救鍵將GPS模塊采集到的地理位置信息以短信形式發(fā)送到預(yù)設(shè)的聯(lián)系人手機;在日常生活中，使用者還可以通過拐杖的溫濕度測量功能查看實時的溫濕度。

二、拐杖結(jié)構(gòu)

（二）操作部分

新型智能拐杖操作部分采用手握主體部分和按鍵外套分離式設(shè)計。其中手握主體部分的材料采用強度較高的聚碳酸酯材料，外表面采用不易打滑的尼龍軟質(zhì)材料以增加使用者的舒適度。按鍵外套設(shè)計成軟體扣合模式，按鍵外套設(shè)計有電源鍵、呼救鍵、緊急呼救鍵等功能鍵，其中LED燈的開關(guān)位于拐杖把手下端。拐杖操作部分如圖2所示。

（二）主板盒部分

考慮到新型智能拐杖控制系統(tǒng)主板設(shè)計復(fù)雜，主板及硬件安裝在拐杖內(nèi)部的難度較高，且在實際使用時易出新型現(xiàn)智能拐杖因跌落而損壞的情況，故采用新型智能拐杖的系統(tǒng)主板部分與拐杖操作部分分離式設(shè)計。主板安裝于具有防震功能的系統(tǒng)主板盒之中。拐杖桿件與控制盒部分通過主板盒后的兩個卡扣相連接，此連接方式既有利于后期功能擴展，也有利于降低新型智能拐杖的維修難度與維修成本。同時，卡扣部分同為超聲波傳感器的安裝位置。主板盒部分如圖3所示，卡扣如圖4所示。

（三）拐杖底座

新型智能拐杖底座設(shè)計為可拆卸更換式底座，使用者可根據(jù)自己的需求選擇較輕便的單腳拐杖底座或更穩(wěn)定的三角底座，當?shù)鬃鶕p壞時使用者可通過更換底座的方式進行維修?？刹鹦兜鬃O(shè)計延長了新型智能拐杖的整體使用壽命，降低了底座維修難度，使用者可通過底座更換的方式進行迅速維修。

三、功能及原理

（一）STM32單片機

本文設(shè)計的新型智能拐杖采用的是STM32f103系列單片機，新型智能拐杖各功能模塊均通過其控制處理而實現(xiàn)。STM32f103系列單片機使用32位的RISC內(nèi)核，其基礎(chǔ)頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，增強IO端口以及連接兩條APB總線的外設(shè)。其主系統(tǒng)由四個驅(qū)動單元（ICode總線、DCode總線、系統(tǒng)總線以及DMA 總線）與三個被動單元（內(nèi)部SRAM 、內(nèi)部閃存存儲器、AHB2APBx）所構(gòu)成。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

（二）障礙預(yù)警

新型智能拐杖系統(tǒng)主板盒內(nèi)采用HC-SR04超聲波測距傳感器處理模塊。超聲波傳感器接口模塊通過卡扣內(nèi)部的線槽與主板盒內(nèi)的HC-SR04超聲波測距傳感器處理模塊有線連接。該傳感器可提供2～400cm的測距范圍，測距精度可達到3mm，本設(shè)計測距范圍采用5～50cm即可。當測得使用者與周圍障礙物的距離小于程序預(yù)設(shè)定安全距離時，蜂鳴器啟動，提醒使用者其周圍存在障礙物，語音播報模塊通過播報提示語音提醒使用者在某具體方向上有障礙物。當使用者與障礙物保持安全距離后，報警解除。新型智能拐杖通過上述工作原理實現(xiàn)障礙預(yù)警、預(yù)防使用者摔倒的功能。

（三）GPS定位及GSM上報

GPS模塊采用的是AN1605BATK-NEO-6M版本，模塊核心采用 SkyTraq 公司的 S1216F8-BD 模組，該模組具有 167 個通道，追蹤靈敏度高達-165dBm，測量輸出頻率最高可達20Hz。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊具有以下特點：（1）體積小巧，性能優(yōu)異（2）模塊可通過串口進行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在內(nèi)部FLASH，使用方便。（3） 模塊自帶 IPX 接口，可以連接各種有源天線，適應(yīng)能力強。（4）模塊兼容3.3V/5V 電平，方便連接各種單片機系統(tǒng) 。STM32單片機將GPS模塊采集到的信息讀寫轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度后便獲得了精確的地理位置。其原理圖如圖6所示。

通訊模塊采用GSM模塊。當使用者遇到緊急情況按下緊急求助鍵后，GPS模塊采集到的經(jīng)緯度信息通過STM32運算控制中心轉(zhuǎn)換為地理位置坐標信息，GSM通訊模塊將轉(zhuǎn)換得到的地理位置信息發(fā)送至預(yù)設(shè)的聯(lián)系人手機上，以實現(xiàn)緊急呼救的功能。

（四）摔倒預(yù)警

基于MPU6050模塊可實現(xiàn)摔倒警報。MPU6050模塊內(nèi)嵌了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器。MPU6050模塊利用自帶數(shù)字運動處理器直接對數(shù)據(jù)進行融合、演算，根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷拐杖是否處于摔倒狀態(tài)。為了防止誤觸發(fā)，若MPU6050模塊判別當前姿態(tài)為摔倒姿態(tài)，則由STM32單片機計算摔倒時長，達到預(yù)設(shè)第一段時長后蜂鳴器發(fā)出警報，語音模塊發(fā)出語音提示，此時使用者可手動解除警報;如超過程序預(yù)設(shè)第二段時長，新型智能拐杖仍未恢復(fù)到正常狀態(tài)，GSM通訊模塊將摔倒地理位置、摔倒時間等狀態(tài)信息上報至預(yù)設(shè)聯(lián)系人手機。

（五）溫濕度測量

溫濕度測量采用體積小且精度較高的數(shù)字信號溫度傳感器 DS18B20 和濕度傳感器 DHT11 。溫濕度傳感器將采集到的拐杖周圍的溫濕度信息通過IIC接口傳輸給STM32單片機。使用者按下溫濕度測量鍵后，語音播報模塊播報使用者周圍的溫濕度情況。溫度傳感器原理：溫度傳感器產(chǎn)生一個隨溫度線性變化的電壓，該電壓信號通過STM32單片機的ADC-IN16輸入通道進行AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。

（六）語音播報

新型智能拐杖所采用的語音芯片為XFS5152CE語音合成模塊，該款芯片在內(nèi)部集成了語音編碼功能以及譯碼功能，且支持30個自定義語音命令，極大地方便用戶與拐杖進行語音交互。STM32單片機與XFS5152CE語音合成模塊聯(lián)用時，模塊的8腳和10腳與STM32的串口交叉連接。使用者可實現(xiàn)語音控制發(fā)送GSM緊急呼救、主動查詢溫濕度、開關(guān)LED燈等操作。

四、結(jié)語

本文設(shè)計的新型智能拐杖主要面向獨居且行動不便的老人以及盲人群體。在拐杖基本功能方面，按照不同使用者需求而設(shè)計了可更換式底座，提高不同用戶的體驗感;在提升功能方面，增加了防摔倒預(yù)警、緊急呼救、GPS定位、溫濕度監(jiān)測等功能，并通過智能語音播報形式降低使用難度提高用戶體驗感。

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基金項目 ：2021年景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)19級別大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《新型智能拐杖》，項目編號為：S202110408049。