基于STM32 與ESP8266 的智能拐杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐世緣，耿麗清，徐子涵，李俊杰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

現(xiàn)代日趨復(fù)雜多變的生活環(huán)境，給老年人及行動(dòng)不便者的出行帶來(lái)了更多的障礙，拐杖就成了大多數(shù)老年人的出行必備之物，一根安全便捷的拐杖可以為老人的出行保駕護(hù)航。但目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的老年人拐杖只有支撐的作用，并沒(méi)有其他特殊功能，功能比較單一，對(duì)老人的安全保障也比較低[1]。不僅需要拐杖提供基本的支撐作用，還需要應(yīng)急照明、自動(dòng)報(bào)警等功能[2]。因此，本文就基于STM32 芯片與ESP8266 等模塊設(shè)計(jì)了一款功能更加豐富的智能拐杖系統(tǒng)，其功能包含GPS 實(shí)時(shí)定位、撥打電話、發(fā)送短信、跌倒報(bào)警、自動(dòng)照明以及通過(guò)指定云服務(wù)器查看老人實(shí)時(shí)狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能拐杖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，包括拐杖終端系統(tǒng)和ONE NET 云端服務(wù)器兩部分。拐杖終端系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)核心模塊、陀螺儀模塊、移動(dòng)通信模塊、GPS 模塊、光照傳感模塊、按鍵模塊、燈光模塊、報(bào)警模塊和ESP8266 模塊等組成，主要負(fù)責(zé)信息的采集、處理和數(shù)據(jù)傳輸。云端服務(wù)器主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程信息的監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 General framework of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片

本設(shè)計(jì)使用STM32F103C8T6 型單片機(jī)，該型號(hào)有著Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器，7 通道DMA 控制器，支持定時(shí)器，ADC，SPI，I2C 和USART等多個(gè)外設(shè)。其儲(chǔ)存器有64 K 或128 K 字節(jié)的閃存程序儲(chǔ)存器和高達(dá)20 K 字節(jié)的SRAM。并且它有2個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá)80 個(gè)快速I(mǎi)/O 端口和9個(gè)通信接口。

2.2 GPS 定位模塊

ATGM336H 是中科微電子的一款射頻基帶一體化導(dǎo)航芯片，體積小、功耗低，定位模塊標(biāo)稱(chēng)定位精度為2.5 mCEP，即有50%的概率能定在半徑為2.5 m 的圓內(nèi)，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求[3]。且此模塊支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它包含32 個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收6 個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS 信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位，導(dǎo)航與授時(shí)，定位更加準(zhǔn)確。

ATGM336H 模塊與單片機(jī)利用串口進(jìn)行通信，將獲取的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)上傳，并在單片機(jī)外接OLDE屏實(shí)時(shí)顯示。

2.3 陀螺儀模塊

采用MPU6050 模塊，利用先進(jìn)數(shù)字濾波技術(shù)，可以有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度。模塊內(nèi)部集成了運(yùn)動(dòng)引擎DMP，獲取四元數(shù)得到當(dāng)前姿態(tài)。姿態(tài)測(cè)量精度0.01°，穩(wěn)定性極高。

通過(guò)該模塊檢測(cè)老人當(dāng)前的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，由程序判斷x 軸和y 軸姿態(tài)角的范圍，從而判斷蜂鳴器是否報(bào)警。MPU6050 模塊接口電路如圖2 所示。

圖2 MPU6050 模塊接口電路Fig.2 MPU6050 module interface circuit

2.4 移動(dòng)通信模塊

SIM900A 是一個(gè)雙頻的GSM/GPRS 模塊，含有TLL 電平串口和RS-232 電平串口，兼容3.3 V 與5 V可以直連單片機(jī)。SIM900A 內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，通過(guò)AT 指令進(jìn)行激活并且通過(guò)HTTP 服務(wù)使應(yīng)用程序與因特網(wǎng)建立連接，可以提供包括語(yǔ)音、短信和GPRS 數(shù)據(jù)傳輸在內(nèi)的一些功能[4]。

2.5 ESP8266 模塊

ESP8266 模塊由樂(lè)鑫信息科技公司出品，它有超低功耗32 位微型MCU，帶有16 位精簡(jiǎn)模式，主頻支持80 MHz 和160 MHz，具有GPIO、PWM、12C、ADC 等功能，使用串口作為下載接口，當(dāng)然也可以進(jìn)行接入云端的服務(wù)，向云端服務(wù)器進(jìn)行上傳、下載數(shù)據(jù)[5]。接口電路如圖3 所示。

圖3 ESP8266 模塊接口電路Fig.3 ESP8266 module interface circuit

2.6 光照傳感模塊

采用光敏電阻傳感器，它可根據(jù)光的照射強(qiáng)度改變其自身的阻值。將光信號(hào)變成電信號(hào)，一般可用來(lái)檢測(cè)探頭周?chē)饩€的強(qiáng)度，可以通過(guò)DO 輸出數(shù)字信號(hào)1 和0，也可以通過(guò)AO 口輸出模擬信號(hào)。將其AO 口與單片機(jī)的I/O 相連接，檢測(cè)外界光照強(qiáng)度，當(dāng)光照強(qiáng)度低于特定值時(shí)，將自動(dòng)開(kāi)啟照明燈光。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)搭建的智能拐杖系統(tǒng)軟件框架如圖4 所示。單片機(jī)軟件采用C 語(yǔ)言編程，主要實(shí)現(xiàn)GPS 實(shí)時(shí)定位、撥打電話、發(fā)送短信、跌倒報(bào)警等功能。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云平臺(tái)，用戶(hù)可在平臺(tái)查詢(xún)數(shù)據(jù)信息。

圖4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Block diagram of system programming

3.1 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

智能拐杖系統(tǒng)上電后完成初始化，主程序的運(yùn)行結(jié)果為陀螺儀獲取姿態(tài)角，定位模塊獲取經(jīng)緯度，ESP8266 模塊聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)建立連接。主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

3.2 云平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

ONE NET 云平臺(tái)的連接需要提前創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備，并在設(shè)備內(nèi)創(chuàng)建所需要的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)名要與單片機(jī)中上傳的數(shù)據(jù)名稱(chēng)相同。同時(shí)要記錄云平臺(tái)內(nèi)自己的產(chǎn)品ID，設(shè)備ID 以及密碼，在編寫(xiě)ESP8266 模塊子程序時(shí)需要這3 項(xiàng)使該模塊與ONE NET 云平臺(tái)建立TCP 連接，實(shí)現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)的上傳。

程序算法的運(yùn)行過(guò)程為當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通電以后，系統(tǒng)會(huì)先進(jìn)行初始化以及各個(gè)外設(shè)模塊的初始化。初始化完成以后，各個(gè)模塊開(kāi)始工作，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。獲取的經(jīng)緯度和UTC 時(shí)間可以在顯示模塊上顯示，同時(shí)也可以同姿態(tài)角一同發(fā)送至云服務(wù)器。若要查看這些數(shù)據(jù)只需登錄ONE NET 云平臺(tái)中所創(chuàng)建的設(shè)備，即可實(shí)時(shí)獲得所有的數(shù)據(jù)。

MQTT 是一個(gè)基于客戶(hù)端與服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，它可以用極少的代碼和有限的帶寬為連接到的遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[6]。MQTT 協(xié)議是輕量簡(jiǎn)單、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)的，作為一種低開(kāi)銷(xiāo)、低帶寬占用的即時(shí)通信協(xié)議，MQTT在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備，移動(dòng)應(yīng)用等方面得到了廣泛應(yīng)用。

服務(wù)器使用的是ONE NET 云平臺(tái)，由中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。ESP8266 工作時(shí)采用STA模式接收到路由器信號(hào)后連接網(wǎng)絡(luò)。之后通過(guò)MQTT協(xié)議與ONE NET 云平臺(tái)建立TCP 連接，數(shù)據(jù)包通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)送到云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)將經(jīng)緯度、姿態(tài)角等數(shù)據(jù)的上傳，方便數(shù)據(jù)的可視化顯示與操作。云平臺(tái)連接流程如圖6 所示。

圖6 云平臺(tái)連接流程Fig.6 Cloud platform connectivity flow chart

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

在完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和云服務(wù)器的連接后，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。

ATGM336H 模塊采集到的經(jīng)緯度坐標(biāo)和UTC時(shí)間在OLED 屏上顯示如圖7 所示。

圖7 OLED 顯示經(jīng)緯度Fig.7 OLED display for latitude and longitude

MPU6050 模塊采集到的姿態(tài)角會(huì)經(jīng)過(guò)報(bào)警模塊判斷，若姿態(tài)角范圍超出預(yù)定值蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。同時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)、姿態(tài)角都會(huì)上傳至云服務(wù)器，這些數(shù)據(jù)都可以在云服務(wù)器內(nèi)創(chuàng)建的設(shè)備中查看。這樣就可以得到老人的位置信息和判斷老人是否跌倒的狀態(tài)信息，如圖8 所示。

圖8 云平臺(tái)數(shù)據(jù)流界面Fig.8 Cloud platform data flow interface

SIM900A 模塊在插入SIM 卡初始化完成后，通過(guò)按下發(fā)短信鍵可以實(shí)現(xiàn)一鍵將經(jīng)緯度坐標(biāo)發(fā)送到指定的聯(lián)系人。按下?lián)芴?hào)鍵可以實(shí)現(xiàn)一鍵撥打電話到指定的聯(lián)系人，如圖9 和圖10 所示。

圖9 發(fā)送經(jīng)緯度短信Fig.9 Sending latitude and longitude SMS

圖10 撥打電話界面Fig.10 Calling interface

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32 與ESP8266 的智能拐杖系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)通過(guò)陀螺儀獲取老人的姿態(tài)信息；通過(guò)GPS 獲取老人的位置信息；通過(guò)GSM 模塊將異常信息通過(guò)短信或電話通知聯(lián)系人；通過(guò)無(wú)線ESP8266 模塊將相關(guān)信息發(fā)送到云平臺(tái)。從而幫助家人及時(shí)了解老人狀況。系統(tǒng)經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)GPS 定位、跌倒報(bào)警、一鍵撥打電話、一鍵發(fā)送短信和自動(dòng)照明這些功能。并且也實(shí)現(xiàn)了在PC 端ONE NET 云平臺(tái)中查看上傳的姿態(tài)角、經(jīng)緯度。該款智能拐杖系統(tǒng)功能豐富、實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)于未來(lái)老人的出行具有比較重要的意義。

本系統(tǒng)雖然完成了上述功能，但仍有需要改進(jìn)和完善的地方，比如增加語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音喚醒、整點(diǎn)報(bào)時(shí)等功能。使作品更加人性化、智能化地為老年人提供服務(wù)。