基于STM32單片機的多功能智能拐杖設計

鄭灝　喻偉闖　錢楷　龔美鳳　劉志雄

摘 要：針對目前老人出行安全的問題，設計一款在老人出現意外狀況時能及時呼救和報警的智能拐杖。設計以STM32單片機為控制核心，結合當前先進的成熟的信號處理算法、傳感器技術、無線通信技術，采用MPU6050水平檢測模塊實時測量拐杖與地面的傾角，在出現突發情況時通過語音模塊識別求救，GPS模塊實現定位功能，以信息的方式發送給監護人。此外，系統還能顯示溫濕度、PM2.5濃度等環境信息。測試結果表明，整個系統性能穩定，靈敏度高，操作方便，并且功能易于擴展，滿足老年人出行多方面需求。

關鍵詞：STM32單片機；水平檢測；語音識別；GPS定位

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0032-02

Abstract： Aiming at the problem of safety for the elderly， a smart crutch is designed which can call for help and call the police in time when an accident occurs. The design takes STM32 microcontroller as the control core， combines the current advanced signal processing algorithm， sensor technology， wireless communication technology， and adopts the MPU6050 horizontal detection module to measure the angle between crutches and the ground in real time. In case of emergency， the GPS module realizes the positioning function through the voice module identification and call for help GPS module， and sends the information to the guardian in the way of information. In addition， the system can also display temperature and humidity， PM2.5 concentration and other environmental information. The test results show that the whole system has the advantages of stable performance， high sensitivity， convenient operation， and easy expansion of functions to meet the needs of the elderly in many aspects of travel.

Keywords： STM32single chip microcontroller； horizontal detection； speech recognition； GPS positioning

1 概述

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，但另一方面摔倒也是老年人經常發生的意外，嚴重影響了老人的身心健康[1]。考慮到老年人對拐杖的需求，設計了一款基于STM32單片機控制的集環境信息顯示、語音識別、短信報警、GPS定位等功能于一體的智能拐杖系統，能夠實時監護使用者的行走狀態及周邊情況，綜合采集信息進行多方面顯示。系統可適用于居民小區或社會福利站等小型社區的老年人群體，并可以進行功能擴展，應用到單獨個體使用，達到應用到日常生活中的作用。

2 系統總體方案設計

系統利用PM2.5傳感器、溫濕度傳感器對室外溫濕度以及空氣質量等環境信息進行采集，綜合使用STM32，將當天室外環境質量信息在LCD顯示屏上進行實時顯示，方便老年人出行。在老人意外摔倒時，MPU6050將信號傳送至單片機， GPS將采集到的地理位置信息通過GSM模塊發送給監護人，同時蜂鳴器發出聲音報警信號[2]。當老人身體出現不適、迷路并發出語音求救信號后，通過LD3320模塊對音頻信息進行解碼輸出，直接通過GSM模塊給家人發送地理位置及報警信息。同時當誤按或者自傾倒出現判斷失誤時，可通過誤報鍵清除報警信號，此時GPS模塊停止工作，給監護人發送安全信息。系統結構框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

系統硬件部分主要包括溫濕度傳感器、PM2.5傳感器檢測、LCD顯示三個模塊來檢測顯示外出環境情況，語音識別、角度檢測、GSM短信傳、GPS定位四個模塊來檢測水平情況及進行定位報警等。通過相應的傳感器和STM32單片機實現對環境的檢測，判斷拐杖與地面的角度大小是否超過臨界值，通過AT指令發送信號控制GSM模塊發送報警信息。

3.1 角度傳感器模塊

選用整合性6軸運動處理組件（MPU6050）作為測量上肢運動姿態的傳感器，傳感器模板電路原理圖如圖2。其內置慣性測量單元包含三軸陀螺儀和三軸加速度計，具有數字輸出、精度高、功耗低、可靠性高等優勢，輸出角度值更為精確，并且可大大簡化評定儀器的結構。通過測量拐杖和水平面的夾角來判斷是否發生摔倒事故，當接近傾斜極限時，并持續保持極限狀態時， GPS定位系統發揮作用，利用GSM模塊將位置信息發送至監護人手機。

3.2 GSM模塊

GSM模塊為SIM900A，可以實現短信發送，語音通話，數據傳輸等基本功能。GSM MODEM與單片機之間采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分別為發送、接收端，與單片機的PA10、PA9連接，組成串口通信[3]。

實現通信的關鍵步驟如表1：

3.3 語音識別模塊

選用LD3320模塊。系統主控上電后首先進行各項初始化，經過初始化后SD卡文件系統會在SD卡中尋找system.ini配置文件，將里面的字段進行拆分后提取，送給LD3320相關寄存器，隨后把關鍵字句列表和長度信息傳送給LD3320并啟動識別過程，當識別成功后串口會發出響應的返回值參數，并且按照用戶需求可以指定需要解碼的音頻文件，經過LD3320進行MP3文件解碼輸出[4]。

4 系統軟件設計

軟件部分主要分為數據采集處理和服務器通信兩部分，單片機和各傳感器模塊間進行信息讀取、處理，通過中斷程序執行相關的指令操作。而且檢測摔倒并做出相關反應是該智能拐杖的主要功能，該部分程序流程圖如圖3示。MPU6050運動組件檢測拐杖的傾斜狀態，通過AD轉換將模擬信號轉化為數字信號，上傳至STM32芯片進行信息處理，執行相應的操作。

5 結束語

本設計是一款基于STM32 單片機的智能拐杖系統。本系統以解決老年人出行實際問題為出發點，將MPU6050傳感器與微控制器相結合，判斷老人是否摔倒，進行自動報警。利用GPS和GSM模塊，確保在遇到緊急情況時能夠與其親屬及時取得的聯系，并且第一時間告知其位置信息。同時系統還具有環境實時檢測語音提醒功能。實驗證明，該設計操作方便，性能穩定，能夠保障老年人安全出行。此外，該系統成本低，性能穩定，功能易于擴展，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測功能，如檢測體溫、運動量、血壓等，具有較高的市場應用價值。

參考文獻：

[1]景婷婷，陸小左，傅琳潔.老年人多功能智能拐杖的設計與實現[J].電子產品世界，2015，22（07）：40-42.

[2]劉元，吳彥文，盧佳卉，等.基于物聯網的自動報警智能拐杖系統的設計[J].電子測量技術，2016，39（09）：123-127

[3]呂雪杰，田宇航，張旭東，等.基于C/S模式的Android智能拐杖系統[J].企業技術開發，2017，36（07）：57-58+75.

[4]李佳佳，劉寧.基于STC15F2K60S2單片機的智能拐杖設計[J].微型機與應用，2017，36（14）：92-94.