基于STM32F103ZET6的關愛老人求助系統設計

劉琦 譚科華 李海平

【摘要】基于STM32F103ZET6的關愛老人求助系統設計主要用于老人“幸福小車”（即輪椅車）出行發生意外時的及時反饋呼救，通過藍牙功能將STMF32F103ZET6系統與手機安卓APP聯系，實現以STM32為核心的控制系統與手機安卓APP的協調控制，完成即時現場呼救、聯系親屬、快速定位、主動報警以及驅動電機的功能。

【關鍵詞】求助系統 ? 藍牙 ?安卓APP ?STM32F103ZET6

一、引言

在科技發達的今天，隨著老年人群體的數目增加，關于老年人的科技創新產品已經成為一個新興的行業。從老年人生活需求的變化和社會技術變革的角度來看，老年人對于生活的安全舒適、方便快捷需求逐日增加。“幸福小車”（即輪椅車）作為行動不便的老年人是常用輔助出行裝備，它極大的擴展了老年人活動范圍，起到了很好的作用。本項目設計的是關愛老人“幸福小車”（輪椅車）的求助系統設計。

二、老人"幸福小車"求助系統的結構圖

系統主要基于STM32F103ZET6芯片，該芯片擁有低功耗、高性能的特點，不僅控制底層電機，語音提示，藍牙報送等功能，而且可以通過藍牙直接接入手機，與手機APP藍牙組網構建通信組，并且利用安卓系統組件，實現定位、周邊呼救、聯系預定親屬號碼以及電話報警，擁有豐富的控制以及連接方式。通過按鍵手動開關，還可以對老人輪椅車底層硬件控制，進行老人輪椅車的運動路徑控制。老人輪椅車求助系統硬件結構圖如圖1所示。

三、老人“幸福小車”求助系統的硬件設計

各部分硬件模塊由主控芯片進行統一控制，其控制引腳已經由芯片引出，對應連接方式如圖2所示。

（一）電源模塊

該控制器采用3塊18650鋰電池串聯（12V）供電如圖3所示，選用LDO電源芯片電路提供5V直流電源，同時另外一塊LDO電源芯片給主控提供穩定的3.3V電源，電源輸入輸出均采用電容濾波，減少電源噪聲，保證芯片穩定工作。

（二）陀螺儀姿態檢測電路

陀螺儀姿態檢測電路如圖4所示，姿態檢測采用MPU6050六軸傳感器模塊。MPU6050角速度全格感測范圍為+250、+500、 +1000 與+2000*/sec （dps），可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為+2g、+4g、+8g 與+16g。通過IIC通信協議對供電后的STM32F103ZET6主控對芯片進行數據讀取。模塊安裝在小車重心較低位置，避免了因為輕微抖動而引起的測量誤差。若發生小車傾斜、側翻等事故，陀螺儀可以很快識別出姿態異常，將異常姿態發給主控芯片STM32F103ZET6，由主控芯片繼續處理。

（三）LED指示燈

整個模塊如圖5所示，總共四個LED燈電路（1K電阻+LED燈），平時工作時四個LED分別指示系統工作狀態。一旦老人發生意外，則四個LED以200ms為周期循環閃爍，以引起其他人的注意，增加老人發生意外時的獲救可能。

（四）老人“幸福小車”藍牙模塊

老人“幸福小車”藍牙模塊系統如圖6所示，系統選用HC-05藍牙模塊為系統提供藍牙功能，使之與手機進行通信。由STM32F103ZET6主控芯片來控制藍牙的發送與接收。HC-05藍牙模式為從（ Slave）模式，此時模塊處于自動連接工作模式時，將根據事先設定的方式連接的數據傳輸;若要對模塊進行配置，當模塊處于命令響應工作模式時能執行下述所有AT命令，芯片可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。

上電后，當老人“幸福小車”對藍牙模塊進行配置上電，此時手機APP連接藍牙，則完成了老人“幸福小車”-藍牙模塊-手機APP的連接回路。當出現異常時，“幸福小車”會出現異常姿態，此時藍牙模塊則向手機發送異常出現消息，手機APP此時則通過電話，短信等組件對老人當前狀態向外傳遞。將時間、GPS地址、出現何種狀況以及小車的電機狀態等情況，及時通知家屬，實現了家屬對老人的第一時間關懷。

圖6藍牙模塊系統

（五）按鍵電路

按鍵電路如圖7所示，采用短頸點觸按鍵，預留4.3mm的按扭長度，預防誤觸，通過芯片內部上拉，低電平檢測，通過軟件濾掉按鍵產生的抖動波形，保證準確的監測到按鍵動作。

（六）語音播報模塊電路

語音播報模塊電路如圖8所示，該設計采用JQ8400—TF 語音模塊。該模塊擁有24 位 DAC 輸出內部采用 DSP 硬件解碼，非 PWM 輸出，動態范圍支持 90dB，信比 85dB，多種控制模式、兩線串口模式、一線串口控制，支持 30 級音量調節，以MP3格式存儲在設計TF卡中，該模塊支持所有比特率11172-3和ISO13813-3 layer3音頻解碼，模塊的采樣率支持8 kHz、11.025 kHz、12 kHz、16 kHz、22.05 kHz、24 kHz、32 kHz、44.1 kHz、48 kHz的頻率采樣，同時，模塊還支持 Normal、Jazz、Classic、Pop、Rock 等音效。有了這些基礎支持，再借助主控STM32F103ZET6芯片串口功能來控制，最終讓音頻文件完美重現。

模塊采用5V供電，通過預留串口線與芯片通信，主控芯片利用串口向模塊發送指令，模塊根據指令執行播放相應的功能。模塊外接8歐姆，2W發音器。聲音大小可以控制，利用按鍵，可以對聲音大小加以控制。同時，模塊內部預置存儲語音消息，相應操作對應相應語音，利用語音提示功能提供更加人性化的控制反饋方式，能夠有效避免老人的誤操作。

（七）電機驅動電路

電機驅動電路如圖9所示，模塊以A4950電機驅動芯片展開設計，芯片需要提供電源，參考電壓該芯片，以及占空比PWM信號。AT4950作為直流電機驅動器，適用于打印機、電器工業設備以及其他小型機器。兩個邏輯輸入控制H橋驅動器，該驅動器由四個N-MOS組成，能夠以高達3.6A的峰值電流雙向控制電機。利用電流衰減模式，可通過對輸入進行脈寬調制（PWM）來控制電機轉速.如果將兩個輸入均置為低電平，則電機驅動器將進入低功耗休眠模式，適用于本系統所采用的電機。利用電容電阻基本元器件，電容可以消除芯片供電的電源雜波，提供更加可靠的電源。所選擇的電機帶有編碼器模塊，通過采集電機的實時轉速，實現對電機的實時PID閉環電機速度控制，軟件PID控制器可以幫助系統更為精確控制電機速度，有效解決了因為電機固有的機械誤差帶來的兩側電機運行轉速不一致造成的行進軌跡偏移的問題。

四、軟件設計

系統軟件設計分為老人“幸福小車“控制設計和手機安卓APP軟件設計。

（一）系統軟件控制設計

設計借助強大的STM32F103ZET6的芯片，基于芯片的強大，使得設計能穩定的運行。

設計上語音播報模塊的采用，結合自己提取生成的語音文件。先對STM32F103ZET6的串口進行初始化。配置串口，同時通過自己封裝好的函數可以發送四字節，八字節等大小的數組。針對不同的指令，在代碼區域，仍然封裝了數十條指令數組，函數與數組配合，就可以很輕松的調用語音播出想要的功能。

設計上陀螺儀模塊，MPU6050硬件DMP解算姿態，DMP輸出的四元數是 q30 格式的，使用時先將其轉化為浮點數，然后才解算出其歐拉角：俯仰角/橫滾角/航向角。結算出來后，就可以利用這三個數據進行系統運動姿態監測。

（二）手機安卓APP軟件設計

基于Android Studio強大快捷的編譯環境。首先對APP界面進行布局，預留按鍵，顯示窗口，軟件信息展示等。layout布局完成 配置好menu界面，則分別對不同屏幕尺寸的手機做出適配，建立 mipmap-hdpi，mipmap-mhdpi，mipmap-xhdpi，mipmap-xxhdpi，mipmap-xxxhdpi各個不同大小的布局。手機安裝后會自動適應其大小。

布局完成，則開始進行其功能的編寫，添加藍牙權限、電話權限、短信權限等，其權限如下：android.permission.BLUETOOTH

android.permission.BLUETOOTH_ADMIN

android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION

android.permission.RECEIVE_BOOT_COMPLETED

android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION

android.permission.SEND_SMS

android.permission.CALL_PHONE

android.permission.READ_PHONE_STATE

隨后，在onCreate類下面添加控制代碼，添加聲明BluetoothAdapter，BluetoothSocket類，用于藍牙的識別，藍牙斷開，藍牙連接，藍牙搜索，電話播出，短信聯系功能等的控制。同時調用定時器處理線程hander，完成對循環任務的執行。

最終，APP將在一個集藍牙、電話、短信功能于一體的環境下運行，并且通過藍牙實現與系統的協調控制。

五、結論

論文中提到的“幸福小車”（輪椅車）只是作為該控制系統的縮影，已經實現其全部功能。但該控制系統不僅限于“幸福小車”（輪椅車）。對于各種型號大小的輪椅小車均可適用，能夠對被控設備進行快速穩定控制，及時通知他人，大大的減少了老人出行的風險，提升老人生活幸福指數。

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