基于STM32F103ZET6的關(guān)愛老人求助系統(tǒng)設(shè)計

劉琦 譚科華 李海平

【摘要】基于STM32F103ZET6的關(guān)愛老人求助系統(tǒng)設(shè)計主要用于老人“幸福小車”（即輪椅車）出行發(fā)生意外時的及時反饋呼救，通過藍(lán)牙功能將STMF32F103ZET6系統(tǒng)與手機(jī)安卓APP聯(lián)系，實現(xiàn)以STM32為核心的控制系統(tǒng)與手機(jī)安卓APP的協(xié)調(diào)控制，完成即時現(xiàn)場呼救、聯(lián)系親屬、快速定位、主動報警以及驅(qū)動電機(jī)的功能。

【關(guān)鍵詞】求助系統(tǒng) ? 藍(lán)牙 ?安卓APP ?STM32F103ZET6

一、引言

在科技發(fā)達(dá)的今天，隨著老年人群體的數(shù)目增加，關(guān)于老年人的科技創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)成為一個新興的行業(yè)。從老年人生活需求的變化和社會技術(shù)變革的角度來看，老年人對于生活的安全舒適、方便快捷需求逐日增加?！靶腋Ｐ≤嚒保摧喴诬嚕┳鳛樾袆硬槐愕睦夏耆耸浅Ｓ幂o助出行裝備，它極大的擴(kuò)展了老年人活動范圍，起到了很好的作用。本項目設(shè)計的是關(guān)愛老人“幸福小車”（輪椅車）的求助系統(tǒng)設(shè)計。

二、老人"幸福小車"求助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要基于STM32F103ZET6芯片，該芯片擁有低功耗、高性能的特點(diǎn)，不僅控制底層電機(jī)，語音提示，藍(lán)牙報送等功能，而且可以通過藍(lán)牙直接接入手機(jī)，與手機(jī)APP藍(lán)牙組網(wǎng)構(gòu)建通信組，并且利用安卓系統(tǒng)組件，實現(xiàn)定位、周邊呼救、聯(lián)系預(yù)定親屬號碼以及電話報警，擁有豐富的控制以及連接方式。通過按鍵手動開關(guān)，還可以對老人輪椅車底層硬件控制，進(jìn)行老人輪椅車的運(yùn)動路徑控制。老人輪椅車求助系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

三、老人“幸福小車”求助系統(tǒng)的硬件設(shè)計

各部分硬件模塊由主控芯片進(jìn)行統(tǒng)一控制，其控制引腳已經(jīng)由芯片引出，對應(yīng)連接方式如圖2所示。

（一）電源模塊

該控制器采用3塊18650鋰電池串聯(lián)（12V）供電如圖3所示，選用LDO電源芯片電路提供5V直流電源，同時另外一塊LDO電源芯片給主控提供穩(wěn)定的3.3V電源，電源輸入輸出均采用電容濾波，減少電源噪聲，保證芯片穩(wěn)定工作。

（二）陀螺儀姿態(tài)檢測電路

陀螺儀姿態(tài)檢測電路如圖4所示，姿態(tài)檢測采用MPU6050六軸傳感器模塊。MPU6050角速度全格感測范圍為+250、+500、 +1000 與+2000*/sec （dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為+2g、+4g、+8g 與+16g。通過IIC通信協(xié)議對供電后的STM32F103ZET6主控對芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。模塊安裝在小車重心較低位置，避免了因為輕微抖動而引起的測量誤差。若發(fā)生小車傾斜、側(cè)翻等事故，陀螺儀可以很快識別出姿態(tài)異常，將異常姿態(tài)發(fā)給主控芯片STM32F103ZET6，由主控芯片繼續(xù)處理。

（三）LED指示燈

整個模塊如圖5所示，總共四個LED燈電路（1K電阻+LED燈），平時工作時四個LED分別指示系統(tǒng)工作狀態(tài)。一旦老人發(fā)生意外，則四個LED以200ms為周期循環(huán)閃爍，以引起其他人的注意，增加老人發(fā)生意外時的獲救可能。

（四）老人“幸福小車”藍(lán)牙模塊

老人“幸福小車”藍(lán)牙模塊系統(tǒng)如圖6所示，系統(tǒng)選用HC-05藍(lán)牙模塊為系統(tǒng)提供藍(lán)牙功能，使之與手機(jī)進(jìn)行通信。由STM32F103ZET6主控芯片來控制藍(lán)牙的發(fā)送與接收。HC-05藍(lán)牙模式為從（ Slave）模式，此時模塊處于自動連接工作模式時，將根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸;若要對模塊進(jìn)行配置，當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行下述所有AT命令，芯片可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。

上電后，當(dāng)老人“幸福小車”對藍(lán)牙模塊進(jìn)行配置上電，此時手機(jī)APP連接藍(lán)牙，則完成了老人“幸福小車”-藍(lán)牙模塊-手機(jī)APP的連接回路。當(dāng)出現(xiàn)異常時，“幸福小車”會出現(xiàn)異常姿態(tài)，此時藍(lán)牙模塊則向手機(jī)發(fā)送異常出現(xiàn)消息，手機(jī)APP此時則通過電話，短信等組件對老人當(dāng)前狀態(tài)向外傳遞。將時間、GPS地址、出現(xiàn)何種狀況以及小車的電機(jī)狀態(tài)等情況，及時通知家屬，實現(xiàn)了家屬對老人的第一時間關(guān)懷。

圖6藍(lán)牙模塊系統(tǒng)

（五）按鍵電路

按鍵電路如圖7所示，采用短頸點(diǎn)觸按鍵，預(yù)留4.3mm的按扭長度，預(yù)防誤觸，通過芯片內(nèi)部上拉，低電平檢測，通過軟件濾掉按鍵產(chǎn)生的抖動波形，保證準(zhǔn)確的監(jiān)測到按鍵動作。

（六）語音播報模塊電路

語音播報模塊電路如圖8所示，該設(shè)計采用JQ8400—TF 語音模塊。該模塊擁有24 位 DAC 輸出內(nèi)部采用 DSP 硬件解碼，非 PWM 輸出，動態(tài)范圍支持 90dB，信比 85dB，多種控制模式、兩線串口模式、一線串口控制，支持 30 級音量調(diào)節(jié)，以MP3格式存儲在設(shè)計TF卡中，該模塊支持所有比特率11172-3和ISO13813-3 layer3音頻解碼，模塊的采樣率支持8 kHz、11.025 kHz、12 kHz、16 kHz、22.05 kHz、24 kHz、32 kHz、44.1 kHz、48 kHz的頻率采樣，同時，模塊還支持 Normal、Jazz、Classic、Pop、Rock 等音效。有了這些基礎(chǔ)支持，再借助主控STM32F103ZET6芯片串口功能來控制，最終讓音頻文件完美重現(xiàn)。

模塊采用5V供電，通過預(yù)留串口線與芯片通信，主控芯片利用串口向模塊發(fā)送指令，模塊根據(jù)指令執(zhí)行播放相應(yīng)的功能。模塊外接8歐姆，2W發(fā)音器。聲音大小可以控制，利用按鍵，可以對聲音大小加以控制。同時，模塊內(nèi)部預(yù)置存儲語音消息，相應(yīng)操作對應(yīng)相應(yīng)語音，利用語音提示功能提供更加人性化的控制反饋方式，能夠有效避免老人的誤操作。

（七）電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路如圖9所示，模塊以A4950電機(jī)驅(qū)動芯片展開設(shè)計，芯片需要提供電源，參考電壓該芯片，以及占空比PWM信號。AT4950作為直流電機(jī)驅(qū)動器，適用于打印機(jī)、電器工業(yè)設(shè)備以及其他小型機(jī)器。兩個邏輯輸入控制H橋驅(qū)動器，該驅(qū)動器由四個N-MOS組成，能夠以高達(dá)3.6A的峰值電流雙向控制電機(jī)。利用電流衰減模式，可通過對輸入進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.如果將兩個輸入均置為低電平，則電機(jī)驅(qū)動器將進(jìn)入低功耗休眠模式，適用于本系統(tǒng)所采用的電機(jī)。利用電容電阻基本元器件，電容可以消除芯片供電的電源雜波，提供更加可靠的電源。所選擇的電機(jī)帶有編碼器模塊，通過采集電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電機(jī)的實時PID閉環(huán)電機(jī)速度控制，軟件PID控制器可以幫助系統(tǒng)更為精確控制電機(jī)速度，有效解決了因為電機(jī)固有的機(jī)械誤差帶來的兩側(cè)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不一致造成的行進(jìn)軌跡偏移的問題。

四、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為老人“幸福小車“控制設(shè)計和手機(jī)安卓APP軟件設(shè)計。

（一）系統(tǒng)軟件控制設(shè)計

設(shè)計借助強(qiáng)大的STM32F103ZET6的芯片，基于芯片的強(qiáng)大，使得設(shè)計能穩(wěn)定的運(yùn)行。

設(shè)計上語音播報模塊的采用，結(jié)合自己提取生成的語音文件。先對STM32F103ZET6的串口進(jìn)行初始化。配置串口，同時通過自己封裝好的函數(shù)可以發(fā)送四字節(jié)，八字節(jié)等大小的數(shù)組。針對不同的指令，在代碼區(qū)域，仍然封裝了數(shù)十條指令數(shù)組，函數(shù)與數(shù)組配合，就可以很輕松的調(diào)用語音播出想要的功能。

設(shè)計上陀螺儀模塊，MPU6050硬件DMP解算姿態(tài)，DMP輸出的四元數(shù)是 q30 格式的，使用時先將其轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)，然后才解算出其歐拉角：俯仰角/橫滾角/航向角。結(jié)算出來后，就可以利用這三個數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測。

（二）手機(jī)安卓APP軟件設(shè)計

基于Android Studio強(qiáng)大快捷的編譯環(huán)境。首先對APP界面進(jìn)行布局，預(yù)留按鍵，顯示窗口，軟件信息展示等。layout布局完成 配置好menu界面，則分別對不同屏幕尺寸的手機(jī)做出適配，建立 mipmap-hdpi，mipmap-mhdpi，mipmap-xhdpi，mipmap-xxhdpi，mipmap-xxxhdpi各個不同大小的布局。手機(jī)安裝后會自動適應(yīng)其大小。

布局完成，則開始進(jìn)行其功能的編寫，添加藍(lán)牙權(quán)限、電話權(quán)限、短信權(quán)限等，其權(quán)限如下：android.permission.BLUETOOTH

android.permission.BLUETOOTH_ADMIN

android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION

android.permission.RECEIVE_BOOT_COMPLETED

android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION

android.permission.SEND_SMS

android.permission.CALL_PHONE

android.permission.READ_PHONE_STATE

隨后，在onCreate類下面添加控制代碼，添加聲明BluetoothAdapter，BluetoothSocket類，用于藍(lán)牙的識別，藍(lán)牙斷開，藍(lán)牙連接，藍(lán)牙搜索，電話播出，短信聯(lián)系功能等的控制。同時調(diào)用定時器處理線程hander，完成對循環(huán)任務(wù)的執(zhí)行。

最終，APP將在一個集藍(lán)牙、電話、短信功能于一體的環(huán)境下運(yùn)行，并且通過藍(lán)牙實現(xiàn)與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

五、結(jié)論

論文中提到的“幸福小車”（輪椅車）只是作為該控制系統(tǒng)的縮影，已經(jīng)實現(xiàn)其全部功能。但該控制系統(tǒng)不僅限于“幸福小車”（輪椅車）。對于各種型號大小的輪椅小車均可適用，能夠?qū)Ρ豢卦O(shè)備進(jìn)行快速穩(wěn)定控制，及時通知他人，大大的減少了老人出行的風(fēng)險，提升老人生活幸福指數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]卓樹峰.基于App Inventor的Android手機(jī)藍(lán)牙通訊開發(fā)[J]. 福建信息技術(shù)教育， 2012， 000（003）：P.25-30.

[2]孫毛毛，馮全源.LDO線性穩(wěn)壓器中高性能誤差放大器的設(shè)計[J]. 微電子學(xué)， 2006， 36（1）：108-110.

[3]劉進(jìn)軍， 卓放. 電容濾波型整流電路的網(wǎng)側(cè)諧波分析[J]. 電力電子技術(shù)， 1995（4）：14-19.

[4]唐海龍. 基于六軸傳感器的角度測量裝置.

[5]張詠秋，曹龍漢.ISDN網(wǎng)絡(luò)中基于AT指令集的保密數(shù)據(jù)通信%Implementation of Confidential Data Communication Based on AT Command Set[J]. 數(shù)字通信， 2012， 039（001）：89-92.

[6]Hagos T . Android Studio[M]// Learn Android Studio 3. 2018.