智能拐杖的设计与实现

王军 李慧涛 刘娜

摘 要：本文设计了一种以STM32F103C8T6为核心控制器的智能拐杖。可以实现GPS定位、呼救、报警、避障等功能。设计中采用了多类型的传感器复合型求救系统，降低了系统报警的误报、漏报、错报的几率。基于GPS的智能拐杖可保障老人、盲人等弱势群体的出行安全，避免弱势群体碰到危险无法自救，具有广阔的市场空间与发展前景。

关键词：GPS定位;超声波避障;STM32F103单片机;倾斜判断

1 总体方案设计

智能拐杖的主控芯片是单片机STM32F103C8T6，其连接各个模块以实现所需功能，总体结构框图如图1所示。GPS模块[1]负责接收卫星发出的相关数据，并将数据进行处理后发送给单片机。按下按键GSM模块[2]发送数据给指定用户。超声波避障传感器负责判断前方是否有障碍物，并将该信号经由电路发送给单片机。单片机程序控制蜂鸣器工作，并与用户设定的报警值进行比较。如果超过报警值则报警。倾角传感器测量拐杖的角度，以判断拐杖的状态。该系统可实现以下功能：

（1）为使用者提供位置信息，以及作为呼救的前置手段。信息会发送到已设定号码的手机中;

（2）提供险情求救功能，用于保障老人不会丢失以及户外爱好者的求救信号发送;

（3）测量拐杖的角度。配合蜂鸣器用于判定老人是否摔倒;

（4）超声波避障传感器检测前方有20cm范围内存在物体，则蜂鸣器报警，用于保障盲人的安全出行。

根据上述设计，结合实际情况，可确定系统所用模块的器件选型。本系统采用STM32系列中的STM32F103C8T6为单片机控制器;GSM采用SIM900A GSM/GPRS模块;GPS采用NEO-7N-0-002-GPS芯片[3]，非常适用于手持设备;超声波避障采用US-015超声波模块;电子围栏模块主要由程序完成;倾角传感器采用MPU6050芯片;语音播报模块采用SYN-6288芯片。

本次系统设计将GPS与GSM通信相结合，需要完成突发情况自动报警求救功能。SIM900A的动作基本都通过AT命令设置，传输所能达到的速度为85.6 kbps。GPS负责处理经纬度信息，并将其发送到相应的端口，最终经过GSM发送给所要求助的人。MPU6050倾角传感器主要进行摔倒判断。

2.系统软件设计

系统接上电源之后按下开始开关，整个系统就开始运作。接着就是将红外信号发送出去，再由系统接收回来，经过模块里面的程序处理，通过特定的算法可计算出距离。当与前方物体的距离在检测范围之内时，蜂鸣器不会发出声音，直到超出测量范围，才不会语音报警。电路板的倾斜状态决定是否触发摔倒报警。当使用者满足触发摔倒判定条件时，超过15秒没有按下解除报警按钮，就会自动将求救消息发送出去，从而起到对人的保护作用。

系统主程序流程图2所示。在主程序开始运行前需要先将NVIC中断分组设置，确定延时时间，设定定时器的计数频率为10Khz，初始化led所用的PA8和按键所用的PA0引脚，初始化IO串口波特率为9600b/s，led初始状态为0打开，蜂鸣器初始状态为1打开，所使用的是PC13引脚。然后延时500ms，关闭蜂鸣器。初始化MPU6050，读取数据进行测试。初始化GSM模块，设定字符集，延时1秒，设定文本模式，延时1秒。关闭LED灯。进行方位状态判断，出现异常，则启动语音播报模块报警提示，摔倒标志置1;没有异常，延时计数为0，摔倒标志为0;判断结束，清空检查计数和错误计数。如果摔倒标志为0并且检测到前方存在物体则语音播报模块报警，这个报警距离设定为50cm内。因摔倒报警超过15秒，打开LED灯，设定字符集、文本、求救号码，每个动作延时700ms。设定求救信息，判断有无GPS信号，如果有求救信息添加经纬度，否则添加gps linking...;延时200ms，发送求救信息。延时700ms，关闭LED灯，清除延时计数，按键延时计数清零。如果按下按键，清除延时计数，按键延时计数清零，关闭蜂鸣器。GPS模块主要进行经纬度的处理，角度传感器主要进行X轴的判断比对。然后与预设值进行比较完成相应的各种功能。

3.系统调试与测试

系统测试前先要进行调试[4]，在焊接时由于直接相交线过多，为了方便观看与焊接，多采用跳线进行焊接，实物如图3所示。在焊接完成以后采用分模块调试法，分别将MPU6050倾角传感器、US-015超声波传感器、GSM_SIM900A模块、NEO-7N GPS模块的功能单独测试;US-015超声波传感器[5]独立于其他模块，主要和蜂鸣器电路配合完成回避前方障碍物的功能;MPU6050倾角传感器主要进行角度倾斜判断，结合蜂鸣器电路进行报警，结合GSM_SIM900A模块和NEO-7N GPS模块进行求救以及发送位置信息，通过指示灯及相关现象检查是否符合预期。在模块的调试过程中，从局部到整体依次依次进行调试，以确保整个系统的稳定运行。

在正确完成本次实物的焊接后，由于考虑到拐杖的使用环境，故将US-015超声波传感器的报警距离设为50cm，触发老人跌倒判断后设定15秒的解除报警时间，用于避免误报警。当检测前方50cm内存在障碍物时，报警装置会发出报警信息。当物体距离电路板20cm内时，蜂鸣器发出警报;当障碍物消失或者远离则停止报警。发送的求救短信有两种，一种是GPS模块收到的位置定位信号，此时会发送help me和经纬度信息;否则会发送help me和gps linking信息。

4.结论

本系统设计了一种以STM32F103C8T6为控制器的智能拐杖，可实现GPS定位、呼救、报警及避障等功能。硬件方面根据实际情况选用了能实现相应功能的传感器，软件方面通过各子程序的相互配合实现各种功能，从而降低了系统的误报、漏报及错报的几率。同时设计按键电路对呼救功能加以保障，避免弱势群体碰到危险无法自救，满足了用户的基本需求。

參考文献

[1]于超越. 基于单片机的GPS定位系统设计与实现[C].互联网论文库， 2016.

[2]杜春雷. ARM结构体系和编程[M].清华大学出版社.2009， 18～19.

[3]辛春霞.项目驱动教学探索--红外报警器的分析与制作[J].科技视界， 2013， 30： 235～236.

[4]景雷. 行驶工况数据采集设备的开发与系统集成[D].天津理工大学， 2014.

[5]嵇萍. 基于单片机的自动避障小车设计[J]. 苏州市职业大学学报， 2013， 01：39～41.

作者简介：王军，男，宁夏理工学院，宁夏石嘴山市大武口区，助教，研究方向：无线通信技术