基于NB-IoT和UWB 的智能多功能拐杖

◆李澥 鄭芝蘭 林苑秋 袁飛武 吳澤佳

（廣州軟件學院 廣東 510900）

21世紀的中國各地人口老齡化現象日益明顯，外出出行及運動是新世紀老年人的生活理念，但老年人隨著年齡的增長而身體機能逐漸下降，很多老年人為了增加平衡力，出行時會選擇一把拐杖來支撐自己，但是老人獨自出行時安全不能保障，會為家人帶來負擔。基于NB-IoT和UWB的智能多功能拐杖是根據65歲以上老人的使用需求而設計的一款基于現代物聯(lián)網技術的低功耗智能控制拐杖。拐杖采用GIS北斗衛(wèi)星導定位技術、GSM技術、UWB超寬帶技術、語音識別等現代化技術，創(chuàng)新拐杖使用模式，建立一個真正為老人所用的新型拐杖。

1 系統(tǒng)總體設計方案

如圖1所示，監(jiān)護人使用手機APP綁定相關信息后，一旦老人啟動緊急求救，拐杖將第一時間撥打電話和發(fā)送短信給其監(jiān)護人，此外，拐杖通過GPS模塊獲取老人經緯度信息，NB模塊將位置信息發(fā)送到我們的云端服務器，監(jiān)護人可以在Android端手機APP查看到我們老人的實時定位和歷史移動軌跡，同時監(jiān)護人也可以通過電子圍欄設定老人活動范圍，一旦老人遠離設定范圍，APP將發(fā)送短信告知其監(jiān)護人。在APP端我們還集成了自己的疾病查詢數據庫，監(jiān)護人可以對應老人出現的癥狀查詢相應的食療方式，為老人制作健康飲食。在拐杖上，我們使用UWB技術實現精準跟隨，語音識別技術結合收音機模塊和照明燈，使老人可以通過語音控制使用收音機和夜間照明燈功能。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

圖2 拐杖實物圖

2 拐杖系統(tǒng)硬件設計

如圖3，系統(tǒng)硬件采用兩個STM32單片機作為控制器，一個作為系統(tǒng)核心控制器，一個作為跟隨算法的處理控制器，從機控制器在接收到主機控制器發(fā)來的跟隨信號指令后，開啟跟隨測距功能，控制左右電機轉動；語音識別模塊通過麥克風獲取到的用戶語音進行語音識別處理之后將返回數據包到中央控制器，中央控制器收到之后會做出相應操作并返回數據包給語音識別模塊，語音識別模塊將根據返回的數據包進行語音合成，之后將操作以語音形式通過揚聲器告知用戶是否操作成功；SIM808模塊在接收到主機的控制命令時，調用麥克風和喇叭進行語音輸入或者輸出；收音機模塊在收到開啟指令時，開啟頻道搜索，搜索附近電臺后將聲音通過揚聲器播出；節(jié)能LED燈采用繼電器控制，控制器接收到開啟命令之后，改變繼電器連接引腳電平，控制LED燈亮滅；GPS模塊將經緯度信息以心跳包的形式定時向主控制器發(fā)送位置信息，中央控制器將各個終端負載設備采集到的所有數據利用NB模塊通過mqtt協(xié)議發(fā)送到我們的云端服務器上。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

3 拐杖系統(tǒng)應用層設計

拐杖系統(tǒng)應用層主要分為用戶操作響應處理和數據庫服務器兩部分，設計采用阿里云主機配置，利用Android技術開發(fā)上層APP，集成和調用多個開放性API接口。數據庫服務器端借助阿里云進行云服務器的搭建，設置了四個數據庫表為用戶端提供數據存儲服務。監(jiān)護人客戶端可實時查看老人地理位置和歷史軌跡等信息。

4 UWB實現跟隨

4.1 UWB技術概述

雖然目前室外定位技術的發(fā)展需求可以被4 大全球定位系統(tǒng)（GPS、北斗系統(tǒng)、GLONASS 系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)）滿足，但在GPS信號極其微弱甚至接收不到信號時，人們將無法從衛(wèi)星廣播中提取獲得位置服務和有效導航數據信息，所以人們專門研究設計了應用于室內的定位技術。UWB 定位模塊是搭建UWB 超寬帶自動跟隨定位系統(tǒng)的重要組成部分，由一個移動標簽和兩個相對固定基站組成，是目前適用性最高的室內跟隨定位系統(tǒng)。目前傳統(tǒng)GPS技術已經成熟，可以針對自動跟隨避障系統(tǒng)實現遠距離定位需求，但GPS技術在近距離定位方面仍然存在定位精度差的問題。傳統(tǒng)跟隨采用的傳感器如攝像頭和超聲波等也存在很多實際應用上的問題，而UWB技術既能實現近距離精準定位，也不存在傳感器易受干擾的問題[14]，因此拐杖使用此技術作為跟隨定位的技術實現。UWB信號的發(fā)生可通過發(fā)射時間極短（如2ns）的窄脈沖（如二次高斯脈沖）通過微分或混頻等上變頻方式調制到UWB工作頻段實現。設計中的智能跟隨主要是采用TDOA（到達時間差的原理），利用UWB超寬帶技術測得定位標簽與兩個基站的距離之間無線信號傳播的時間差，通過S=V*T（其中V表示光速，T表示數據傳輸完成所使用的時間）求得距離，再進行跟隨算法實現拐杖的跟隨效果。

4.2 跟隨設計

如圖5，兩個基站A0、A1分別放在拐杖盒子兩邊，老人攜帶一個標簽TO互相組成一個三角形，知道兩個基站之間的距離，兩個標簽距離，而對于任意三角形，一邊的平方等于其他兩邊的平方減去兩邊與它們夾角θ的余弦的積的兩倍，得出公式dis22=dis12+dis32-2*dis1*dis3*cosθ，由上式可得cosθ以及θ的值：

圖4 系統(tǒng)應用層架構圖

圖5 拐杖系統(tǒng)測距跟隨原理圖

由圖4我們可以知道，θ角會隨著老人移動而逐漸變大或者變小，我們假設當兩個基站的邊與標簽夾角θ等于某個角度的時候直走，大于某個角度的時候向減小θ角那里偏轉，小于θ角，向調大角度的方向偏轉。這樣子就可以實現拐杖的跟隨功能。

4.3 雙側雙邊測距原理

雙向測距法（SDS-TWR）用于DWM1000 是被業(yè)內人士普遍認可的方法之一。雙邊雙路測量算法被廣泛應用，普遍性極高，甚至成了一種標準。

如圖6，完成一次雙邊雙向測距DS 測距需要 6 個步驟。

圖6 雙側雙邊測距原理圖

1）設備 A 發(fā)送 POLL 包。并記下發(fā)送時間 T1。并在一段時間后打開 RX。

2）設備 B 要提前打開接收，然后收到 POLL 包，記錄時間 T2。

3）設備 B 在 T3（T3=T2+Treply1）時刻發(fā)送 Response 包，發(fā)送完之后打開 RX。

4）設備 A 收到 Response 包，記錄時刻 T4。

5）設備 A 在 T5（T5=T4+Treply2）發(fā)送 Final 包。

6）設備 B 收到 Final 包，記錄時間 T6。

此時，飛行時間的計算公式為：

上位機給兩基站下達雙向測距指令后，有一個發(fā)起基站發(fā)送信號，接收基站收到信號后立刻回傳，發(fā)起基站收到之后再次發(fā)送，來回幾次之后帶入以上公式可求得飛行時間的均值，帶入光速即可得到兩基站的距離。

4.4 NB-IoT低功耗設計

根據物聯(lián)網業(yè)務的特性，NB-IoT芯片采用低功耗低成本的設計方式。例如，采用180kHz窄帶系統(tǒng)，降低片內FLASH/RAM，采用半雙工模式，降低功耗等。NB-IoT模組PSM模式下功耗為uA級別，設備只有在需要數據傳輸時才喚醒，其余的時間進入PSM模式，且PSM模式兩次喚醒時間最長可達300小時。據官方數據統(tǒng)計，NBIoT的功耗，僅為2G的1/10，終端模塊的待機時間可長達10年，所以基于NB-IoT的智能守護杖在同樣的電池規(guī)格下，續(xù)航能力會比目前市面上的wifi通信智能手杖大大增強。

5 結束語

基于NB-IoT和UWB 的智能多功能拐杖是老人的貼身“小跟班”，實現了拐杖的智能化管理，能更好為老人服務。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監(jiān)測功能，如檢測體溫、血壓等，具有較高的市場應用價值。