基于STM32智能辅助拐杖设计

黄昌烯，韦香帅，刘宝业

梧州学院 电子与信息工程，广西 梧州   543003

摘要：随着社会老龄化的到来，越来越多老年人受到人们的关注。越来越多的辅助性拐杖出现在市场上。传统的辅助性拐杖没有发送定位信息和紧急自动拨号功能，老人日常出门时受到限制。为了改善这一限制，我设计了一款智能拐杖，当智能拐杖水平放置在地上时可自动发GPS定位信息和紧急自动拨号给联系人。

该智能拐杖设计由传感器部分和应答部分组成，以STM32F103RCT6作为主控芯片。传感部分分别利用光线检测传感器，姿态平衡检测传感器检测老人所在的环境，周围环境是否太暗，拐杖是否水平放置在地上的相关数据，并把相关数据传给主控芯片，主控芯片进行判断是否对应答部分进行开关控制，当相关数据超过应答部分设定的阈值时，则应答部分分别分别利用蜂鸣器，LED，GSM模块进行语音提醒，开灯，自动拨号及发送定位信息给联系人。

关键词：智能拐杖；GPS定位；语音提醒；短信提醒

1.总体方案设计

我设计的智能拐杖可以老人的日常行动更加便利。智能拐杖上安装了超声波避障器和蜂鸣器，可以帮助盲人探测周围环境的障碍物是否阻挡了老人的前进。而且探测距离为半米，使老人有足够的距离对障碍物进行回避。智能拐杖还安装了光敏电阻和LED灯，可以避免老人在比较暗的环境下行动时被其他行人碰到。智能拐杖也安装了自动拨号，短信发送，GPS定位的模块。该姿态平衡检测仪加速度传感器，在载体坐标系下，三个数值组成的列向量就是一个矢量，有大小有方向。最后获取的就是一个倾斜角度。对于该产品设计，当陀螺仪离地面的角度低于15°时，则会通过语音模块求救周围的人，然后会拨打保留的紧急联系人的电话和发GPS定位短信给联系人。光线检测主要靠光敏电阻接收到周围环境光的强度低于自己设置的光的强度时（靠电压值），则会打开灯光，提醒周围的人。

2. 系统硬件设计

经过第二章的各模块功能描述，该系统供电方式是接输出端口为12V1A且电流的峰值要达到40毫安的电源适配器（12V1A的峰值要达到40毫安锂电池）给SIM800C供电。通过MPU6050四轴加速度的电磁感应电子陀螺仪，当YAW角度大于15度时（即离地面的倾角小于15度），与SDO连接的GPIO口端会读取到数据，并对蜂鸣器的I/O口输出低电平，使蜂鸣器工作。并且也使SIM800C拨打和发送定位信息给程序里设定好的号码。

2.1 主控芯片电路设计

STM32F103RCT6内核为32位ARM Cortex-M3,输入输出I/O口数量为51个，工作温度：-40°C ~ 105°C，64-LQFP封装，48K的SRAM和256K的FLASH。使用的晶振为32.768KHZ。通常板载CH340C芯片作为USB转TTL通信使用，连接主控芯片串口1并且作为ISP烧录程序使用。BOOT0,BOOT1可自动电平切换电路，用USB线接入后可以直接一键烧录程序。SWD仿真接口既可以仿真也可以烧录常使用STLINK烧录。本次系统设计一共用到4个串口通信，usart1,usart2,usart3,usart4。

2.2 光线检测模块电路设计

光敏电阻传感器模块，内含灵敏型光敏电阻。这里使用的是数字信号输出模式，使用宽电压LM393比较器。上接电阻1K，下接滑动电阻（即光敏电阻）最大1K。当外部环境的光线强度较强时，通过LM393宽电压比较器，上接的电压大于下接的电压，则DO输出端为高电平并传输给GPIO口。当外部环境的光线强度较弱时，通过LM393宽电压比较器，上接的电压小于下接的电压，则DO输出端为低电平并传输给GPIO口。

2.3 姿态平衡检测模块电路设计

该模块采用的通信方式是标准的IIC通信协议。该MPU6050是一款小巧的传感器，具有极低的功率和高分辨率（13位），该设备提供多种特殊检测功能。检测和延迟检测功能通过将任意轴上的加速按钮与用户设置的阈值进行比较来识别移动的发生。低负荷消耗模型和新颖的、基于运动的能量管理提供了应对极端低消耗消耗波动和加速运动的工具。

2.4 拨号短信模块电路设计

GSM_SIM800C模块采用高性能工业级GSM/GPRS模块：SIM800C，工作频段:GSM800/1800MHz。硬件设计在官方设计上加以优化,采用高效开关电源供电，SIM卡采用主流的卡座，质量更坚固。GSM_SIM800C模块在外围硬件的设计上参考了SIM800C模块的硬件设计指南，对板子的电源、保护和抗干扰上做足了功夫。电源采用开关电源模块供电，电源利用效率高。

2.5蜂鸣器电路设计

该模块采用S8550三极管驱动即Q2，属于PNP型，从电源取电流，导向用电设备。这里的三极管有控制电流的作用和放大声音信号。R39的取值是保证Q2能够饱和导通的情况下避免电流太大。R19是一个下拉电阻，避免蜂鸣器与其它模块工作时受到其它模块或者外部环境的干扰，从而避免蜂鸣器接收到错误的指令。

2.6 定位模块电路设计

M8NGPS模块灵敏度高，能耗低，小型化，跟踪灵敏度高，大大扩大了位范围。在普通的GPS定位模块无法定位的地方，比如狭窄的城市天空和密集的丛林环境，新7m可以精确定位。高灵敏度、低静态漂移、低能耗和低容积适用于便携式车辆设备的应用，如PDA、车辆监控、移动电话、摄像机和其他移动定位系统。

3.系统软件设计

3.1 整体程序设计流程

首先各个模块先进行程序初始化，GPS开始获取解析地址信息，当获取定位成功后会自动保存数据。利用循环语句和判断语句，当MPU6050的YAW的倾斜角度小于15°时，SIM800C模块会把保存好的GPS定位的经纬度数值以信息的形式发给程序里设定紧急号码，并且延迟3秒钟后拨打紧急号码。当光敏电阻探测到的外界环境的光线强度小于设定值时，利用循环和判断语句。LED灯赋为高电平，LED灯开启。。

3.1姿态平衡检测模块程序部分

该模块采用的是I2C通信协议，所以用到了XCL与XDL端口。XCL是时钟端口，XDL是通信数据传输端。这里需要设定一个中断程序，用于数据的读取与上报。这个模块是有一个MPU姿态计算的库函数，是官方打包的。方便在程序中调用函数。比如，在编写主程序时需要调用MPU6050的初始化函数，然后在用WHILE(1)语句，循环调用MPU6050的读取与上报函数。最后利用IF ELSE 语句进行判断是否拨号与发信息给紧急联系人。

3.2拨号短信模块程序部分

该模块采用的是I2C通信协议，用到了STM32的USART2串口。。在程序中，首先对USART2进行初始化，且波特率为115200。该模块通过STM32输入AT指令给SIM800C可让模块知道是发信息的，且通过输入AT+CSMF指令是发英文信息的，输入AT+CSGS指令是发中文信息的。如果是输入”ATD+电话号码“是拨打电话的。

3.3 定位模块程序部分

该模块采用的是I2C通信协议，用到了STM32的USART3串口。通过串口上的TXD与RXD与STM32的STM32的PB7与PB8连接。在程序中首先对USART3进行初始化，且波特率为9600。当模块开始工作时，需要一到两分钟的时间进行地址解析和模块初始化。当模块初始化和解析完成后，在主函数里有一个判断语句，只有当经度和纬度的值是正确的，才会给参数I赋值为1。然后下一步才会输出并保存精度和纬度的数据值。

4.结束语

随着社会的发展，电子信息技术会越来好，电子产品也会越来越高端。老年人享受到智能化电子产品带来的便利会越来越多。大多数儿女给自己的父母配备一个智能化的拐杖，对老年人的日常出门的安全得到保障。并且能实时了解老人的位置。该智能拐杖操作简单，功能实用。经过市场调研，随着社会老龄化的到来，该智能拐杖满足市场的需求 ，这为产品的扩大生产和为社会创造的经济发展提供了可能。

参考文献

[1] 郑安豫.一种基于单片机的智能盲杖系统[J].安徽电气工程职业技术学院学报. 2021.

[2]曲鹏宇.多功能全自动智能拐杖方案设计[J]. 湖北农机化. 2020 .

[3]郑灏.基于STM32单片机的多功能智能拐杖设计[J].科技创新与应用. 2018

[4]于宝琦.盲人智能拐杖的设计与制作[J].辽宁科技学院学报.2019.

[5]胡晓.便携式农机远程控制终端系统设计[D]. 湖北工业大学.2019.

[6]杨利娟.基于深度学习的盲人辅助行路系统[D]. 浙江大学.2019.

[7]朱伟.老年人拐杖的智能设计研究[J].长江大学学报(自科版). 2014.

[8]秦凡.基于STM32的智能导盲拐杖[J].物联网技术. 2017.

[9]李佳佳.基于STC15F2K60S2单片机的智能拐杖设计[J].微型机与应用. 2017.

[10]徐江维.基于单片机的的超声波测距仪[J].电子世界. 2017.

  —省级大学生创新训练项目资助；项目名称：基于STM32辅助智能拐杖设计；项目编号：202211354144