鄒力棒 賴子龍 李欣 張書林

摘 要：針對市場上功能單一的普通手持拐杖已經(jīng)無法保障拐杖使用者安全外出的問題。本文設(shè)計(jì)了一款具有GPS定位、溫濕度播報(bào)、障礙預(yù)警等新穎功能的新型智能拐杖，以保障拐杖使用者外出時(shí)的安全，為拐杖使用者提供便利。該新型智能拐杖具有操作難度低、實(shí)用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能拐杖;STM32單片機(jī);摔倒預(yù)警;溫濕度測量

在人口老齡化趨勢嚴(yán)峻、外地就業(yè)人口日漸增長的形勢下，老人的獨(dú)居率逐漸增高。此外，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，我國是世界上盲人最多的國家，2022年我國盲人數(shù)量已經(jīng)突破1730萬。面對大量的獨(dú)居老人以及盲人群體，新型智能拐杖市場具有良好前景。經(jīng)過調(diào)研得知，目前市場上的拐杖功能太過單一，僅有少量新型的拐杖功能較為新穎，但由于其售價(jià)過高，并不適合大部分的拐杖使用群體。綜合上述兩方面，對于拐杖使用者而言，需要一款價(jià)格合理、功能齊全的新型智能拐杖，因此設(shè)計(jì)該款新型智能拐杖意義深遠(yuǎn)。

一、總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型智能拐杖以STM32f103系列單片機(jī)為核心，外接摔倒預(yù)警模塊、GPS定位模塊、緊急呼救模塊、語音播報(bào)模塊以及溫濕度測量模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)使用者預(yù)設(shè)安全距離內(nèi)存在障礙物時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警提醒使用者在某方向上存在障礙物;當(dāng)使用者遇到摔倒受傷后無法站立等緊急情況時(shí)，可通過緊急呼救鍵將GPS模塊采集到的地理位置信息以短信形式發(fā)送到預(yù)設(shè)的聯(lián)系人手機(jī);在日常生活中，使用者還可以通過拐杖的溫濕度測量功能查看實(shí)時(shí)的溫濕度。

二、拐杖結(jié)構(gòu)

（二）操作部分

新型智能拐杖操作部分采用手握主體部分和按鍵外套分離式設(shè)計(jì)。其中手握主體部分的材料采用強(qiáng)度較高的聚碳酸酯材料，外表面采用不易打滑的尼龍軟質(zhì)材料以增加使用者的舒適度。按鍵外套設(shè)計(jì)成軟體扣合模式，按鍵外套設(shè)計(jì)有電源鍵、呼救鍵、緊急呼救鍵等功能鍵，其中LED燈的開關(guān)位于拐杖把手下端。拐杖操作部分如圖2所示。

（二）主板盒部分

考慮到新型智能拐杖控制系統(tǒng)主板設(shè)計(jì)復(fù)雜，主板及硬件安裝在拐杖內(nèi)部的難度較高，且在實(shí)際使用時(shí)易出新型現(xiàn)智能拐杖因跌落而損壞的情況，故采用新型智能拐杖的系統(tǒng)主板部分與拐杖操作部分分離式設(shè)計(jì)。主板安裝于具有防震功能的系統(tǒng)主板盒之中。拐杖桿件與控制盒部分通過主板盒后的兩個(gè)卡扣相連接，此連接方式既有利于后期功能擴(kuò)展，也有利于降低新型智能拐杖的維修難度與維修成本。同時(shí)，卡扣部分同為超聲波傳感器的安裝位置。主板盒部分如圖3所示，卡扣如圖4所示。

（三）拐杖底座

新型智能拐杖底座設(shè)計(jì)為可拆卸更換式底座，使用者可根據(jù)自己的需求選擇較輕便的單腳拐杖底座或更穩(wěn)定的三角底座，當(dāng)?shù)鬃鶕p壞時(shí)使用者可通過更換底座的方式進(jìn)行維修?？刹鹦兜鬃O(shè)計(jì)延長了新型智能拐杖的整體使用壽命，降低了底座維修難度，使用者可通過底座更換的方式進(jìn)行迅速維修。

三、功能及原理

（一）STM32單片機(jī)

本文設(shè)計(jì)的新型智能拐杖采用的是STM32f103系列單片機(jī)，新型智能拐杖各功能模塊均通過其控制處理而實(shí)現(xiàn)。STM32f103系列單片機(jī)使用32位的RISC內(nèi)核，其基礎(chǔ)頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，增強(qiáng)IO端口以及連接兩條APB總線的外設(shè)。其主系統(tǒng)由四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元（ICode總線、DCode總線、系統(tǒng)總線以及DMA 總線）與三個(gè)被動(dòng)單元（內(nèi)部SRAM 、內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器、AHB2APBx）所構(gòu)成。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

（二）障礙預(yù)警

新型智能拐杖系統(tǒng)主板盒內(nèi)采用HC-SR04超聲波測距傳感器處理模塊。超聲波傳感器接口模塊通過卡扣內(nèi)部的線槽與主板盒內(nèi)的HC-SR04超聲波測距傳感器處理模塊有線連接。該傳感器可提供2～400cm的測距范圍，測距精度可達(dá)到3mm，本設(shè)計(jì)測距范圍采用5～50cm即可。當(dāng)測得使用者與周圍障礙物的距離小于程序預(yù)設(shè)定安全距離時(shí)，蜂鳴器啟動(dòng)，提醒使用者其周圍存在障礙物，語音播報(bào)模塊通過播報(bào)提示語音提醒使用者在某具體方向上有障礙物。當(dāng)使用者與障礙物保持安全距離后，報(bào)警解除。新型智能拐杖通過上述工作原理實(shí)現(xiàn)障礙預(yù)警、預(yù)防使用者摔倒的功能。

（三）GPS定位及GSM上報(bào)

GPS模塊采用的是AN1605BATK-NEO-6M版本，模塊核心采用 SkyTraq 公司的 S1216F8-BD 模組，該模組具有 167 個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)-165dBm，測量輸出頻率最高可達(dá)20Hz。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊具有以下特點(diǎn)：（1）體積小巧，性能優(yōu)異（2）模塊可通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在內(nèi)部FLASH，使用方便。（3） 模塊自帶 IPX 接口，可以連接各種有源天線，適應(yīng)能力強(qiáng)。（4）模塊兼容3.3V/5V 電平，方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng) 。STM32單片機(jī)將GPS模塊采集到的信息讀寫轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度后便獲得了精確的地理位置。其原理圖如圖6所示。

通訊模塊采用GSM模塊。當(dāng)使用者遇到緊急情況按下緊急求助鍵后，GPS模塊采集到的經(jīng)緯度信息通過STM32運(yùn)算控制中心轉(zhuǎn)換為地理位置坐標(biāo)信息，GSM通訊模塊將轉(zhuǎn)換得到的地理位置信息發(fā)送至預(yù)設(shè)的聯(lián)系人手機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)緊急呼救的功能。

（四）摔倒預(yù)警

基于MPU6050模塊可實(shí)現(xiàn)摔倒警報(bào)。MPU6050模塊內(nèi)嵌了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器。MPU6050模塊利用自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、演算，根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷拐杖是否處于摔倒?fàn)顟B(tài)。為了防止誤觸發(fā)，若MPU6050模塊判別當(dāng)前姿態(tài)為摔倒姿態(tài)，則由STM32單片機(jī)計(jì)算摔倒時(shí)長，達(dá)到預(yù)設(shè)第一段時(shí)長后蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，語音模塊發(fā)出語音提示，此時(shí)使用者可手動(dòng)解除警報(bào);如超過程序預(yù)設(shè)第二段時(shí)長，新型智能拐杖仍未恢復(fù)到正常狀態(tài)，GSM通訊模塊將摔倒地理位置、摔倒時(shí)間等狀態(tài)信息上報(bào)至預(yù)設(shè)聯(lián)系人手機(jī)。

（五）溫濕度測量

溫濕度測量采用體積小且精度較高的數(shù)字信號(hào)溫度傳感器 DS18B20 和濕度傳感器 DHT11 。溫濕度傳感器將采集到的拐杖周圍的溫濕度信息通過IIC接口傳輸給STM32單片機(jī)。使用者按下溫濕度測量鍵后，語音播報(bào)模塊播報(bào)使用者周圍的溫濕度情況。溫度傳感器原理：溫度傳感器產(chǎn)生一個(gè)隨溫度線性變化的電壓，該電壓信號(hào)通過STM32單片機(jī)的ADC-IN16輸入通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。

（六）語音播報(bào)

新型智能拐杖所采用的語音芯片為XFS5152CE語音合成模塊，該款芯片在內(nèi)部集成了語音編碼功能以及譯碼功能，且支持30個(gè)自定義語音命令，極大地方便用戶與拐杖進(jìn)行語音交互。STM32單片機(jī)與XFS5152CE語音合成模塊聯(lián)用時(shí)，模塊的8腳和10腳與STM32的串口交叉連接。使用者可實(shí)現(xiàn)語音控制發(fā)送GSM緊急呼救、主動(dòng)查詢溫濕度、開關(guān)LED燈等操作。

四、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的新型智能拐杖主要面向獨(dú)居且行動(dòng)不便的老人以及盲人群體。在拐杖基本功能方面，按照不同使用者需求而設(shè)計(jì)了可更換式底座，提高不同用戶的體驗(yàn)感;在提升功能方面，增加了防摔倒預(yù)警、緊急呼救、GPS定位、溫濕度監(jiān)測等功能，并通過智能語音播報(bào)形式降低使用難度提高用戶體驗(yàn)感。

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基金項(xiàng)目 ：2021年景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)19級(jí)別大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《新型智能拐杖》，項(xiàng)目編號(hào)為：S202110408049。