基于STM32單片機(jī)的多功能智能拐杖設(shè)計(jì)

鄭灝　喻偉闖　錢楷　龔美鳳　劉志雄

摘 要：針對(duì)目前老人出行安全的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款在老人出現(xiàn)意外狀況時(shí)能及時(shí)呼救和報(bào)警的智能拐杖。設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為控制核心，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的成熟的信號(hào)處理算法、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)，采用MPU6050水平檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)測(cè)量拐杖與地面的傾角，在出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)通過(guò)語(yǔ)音模塊識(shí)別求救，GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位功能，以信息的方式發(fā)送給監(jiān)護(hù)人。此外，系統(tǒng)還能顯示溫濕度、PM2.5濃度等環(huán)境信息。測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，操作方便，并且功能易于擴(kuò)展，滿足老年人出行多方面需求。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；水平檢測(cè)；語(yǔ)音識(shí)別；GPS定位

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0032-02

Abstract： Aiming at the problem of safety for the elderly， a smart crutch is designed which can call for help and call the police in time when an accident occurs. The design takes STM32 microcontroller as the control core， combines the current advanced signal processing algorithm， sensor technology， wireless communication technology， and adopts the MPU6050 horizontal detection module to measure the angle between crutches and the ground in real time. In case of emergency， the GPS module realizes the positioning function through the voice module identification and call for help GPS module， and sends the information to the guardian in the way of information. In addition， the system can also display temperature and humidity， PM2.5 concentration and other environmental information. The test results show that the whole system has the advantages of stable performance， high sensitivity， convenient operation， and easy expansion of functions to meet the needs of the elderly in many aspects of travel.

Keywords： STM32single chip microcontroller； horizontal detection； speech recognition； GPS positioning

1 概述

21世紀(jì)的中國(guó)各地人口老齡化現(xiàn)象日益明顯，外出出行及運(yùn)動(dòng)是新世紀(jì)老年人的生活理念，但另一方面摔倒也是老年人經(jīng)常發(fā)生的意外，嚴(yán)重影響了老人的身心健康[1]?？紤]到老年人對(duì)拐杖的需求，設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)控制的集環(huán)境信息顯示、語(yǔ)音識(shí)別、短信報(bào)警、GPS定位等功能于一體的智能拐杖系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)護(hù)使用者的行走狀態(tài)及周邊情況，綜合采集信息進(jìn)行多方面顯示。系統(tǒng)可適用于居民小區(qū)或社會(huì)福利站等小型社區(qū)的老年人群體，并可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，應(yīng)用到單獨(dú)個(gè)體使用，達(dá)到應(yīng)用到日常生活中的作用。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用PM2.5傳感器、溫濕度傳感器對(duì)室外溫濕度以及空氣質(zhì)量等環(huán)境信息進(jìn)行采集，綜合使用STM32，將當(dāng)天室外環(huán)境質(zhì)量信息在LCD顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便老年人出行。在老人意外摔倒時(shí)，MPU6050將信號(hào)傳送至單片機(jī)， GPS將采集到的地理位置信息通過(guò)GSM模塊發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)[2]。當(dāng)老人身體出現(xiàn)不適、迷路并發(fā)出語(yǔ)音求救信號(hào)后，通過(guò)LD3320模塊對(duì)音頻信息進(jìn)行解碼輸出，直接通過(guò)GSM模塊給家人發(fā)送地理位置及報(bào)警信息。同時(shí)當(dāng)誤按或者自傾倒出現(xiàn)判斷失誤時(shí)，可通過(guò)誤報(bào)鍵清除報(bào)警信號(hào)，此時(shí)GPS模塊停止工作，給監(jiān)護(hù)人發(fā)送安全信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括溫濕度傳感器、PM2.5傳感器檢測(cè)、LCD顯示三個(gè)模塊來(lái)檢測(cè)顯示外出環(huán)境情況，語(yǔ)音識(shí)別、角度檢測(cè)、GSM短信傳、GPS定位四個(gè)模塊來(lái)檢測(cè)水平情況及進(jìn)行定位報(bào)警等。通過(guò)相應(yīng)的傳感器和STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的檢測(cè)，判斷拐杖與地面的角度大小是否超過(guò)臨界值，通過(guò)AT指令發(fā)送信號(hào)控制GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息。

3.1 角度傳感器模塊

選用整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件（MPU6050）作為測(cè)量上肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳感器，傳感器模板電路原理圖如圖2。其內(nèi)置慣性測(cè)量單元包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，具有數(shù)字輸出、精度高、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，輸出角度值更為精確，并且可大大簡(jiǎn)化評(píng)定儀器的結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量拐杖和水平面的夾角來(lái)判斷是否發(fā)生摔倒事故，當(dāng)接近傾斜極限時(shí)，并持續(xù)保持極限狀態(tài)時(shí)， GPS定位系統(tǒng)發(fā)揮作用，利用GSM模塊將位置信息發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)。

3.2 GSM模塊

GSM模塊為SIM900A，可以實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送，語(yǔ)音通話，數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。GSM MODEM與單片機(jī)之間采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分別為發(fā)送、接收端，與單片機(jī)的PA10、PA9連接，組成串口通信[3]。

實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵步驟如表1：

3.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊

選用LD3320模塊。系統(tǒng)主控上電后首先進(jìn)行各項(xiàng)初始化，經(jīng)過(guò)初始化后SD卡文件系統(tǒng)會(huì)在SD卡中尋找system.ini配置文件，將里面的字段進(jìn)行拆分后提取，送給LD3320相關(guān)寄存器，隨后把關(guān)鍵字句列表和長(zhǎng)度信息傳送給LD3320并啟動(dòng)識(shí)別過(guò)程，當(dāng)識(shí)別成功后串口會(huì)發(fā)出響應(yīng)的返回值參數(shù)，并且按照用戶需求可以指定需要解碼的音頻文件，經(jīng)過(guò)LD3320進(jìn)行MP3文件解碼輸出[4]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要分為數(shù)據(jù)采集處理和服務(wù)器通信兩部分，單片機(jī)和各傳感器模塊間進(jìn)行信息讀取、處理，通過(guò)中斷程序執(zhí)行相關(guān)的指令操作。而且檢測(cè)摔倒并做出相關(guān)反應(yīng)是該智能拐杖的主要功能，該部分程序流程圖如圖3示。MPU6050運(yùn)動(dòng)組件檢測(cè)拐杖的傾斜狀態(tài)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，上傳至STM32芯片進(jìn)行信息處理，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是一款基于STM32 單片機(jī)的智能拐杖系統(tǒng)。本系統(tǒng)以解決老年人出行實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，將MPU6050傳感器與微控制器相結(jié)合，判斷老人是否摔倒，進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。利用GPS和GSM模塊，確保在遇到緊急情況時(shí)能夠與其親屬及時(shí)取得的聯(lián)系，并且第一時(shí)間告知其位置信息。同時(shí)系統(tǒng)還具有環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)語(yǔ)音提醒功能。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)操作方便，性能穩(wěn)定，能夠保障老年人安全出行。此外，該系統(tǒng)成本低，性能穩(wěn)定，功能易于擴(kuò)展，隨著研究的不斷深入，智能拐杖上可以嵌入更多的健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)功能，如檢測(cè)體溫、運(yùn)動(dòng)量、血壓等，具有較高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]景婷婷，陸小左，傅琳潔.老年人多功能智能拐杖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2015，22（07）：40-42.

[2]劉元，吳彥文，盧佳卉，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)報(bào)警智能拐杖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2016，39（09）：123-127

[3]呂雪杰，田宇航，張旭東，等.基于C/S模式的Android智能拐杖系統(tǒng)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2017，36（07）：57-58+75.

[4]李佳佳，劉寧.基于STC15F2K60S2單片機(jī)的智能拐杖設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017，36（14）：92-94.