隨著老齡化加劇與科技進(jìn)步，“物聯(lián)網(wǎng) + 養(yǎng)老” 成為智慧養(yǎng)老核心方向，老年人出行安全與健康監(jiān)測(cè)需求日益迫切。針對(duì)傳統(tǒng)拐杖智能化不足、功能單一的痛點(diǎn)，本文提出一種融合多傳感器與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能拐杖系統(tǒng)，以 STM32 為核心主控，集成 GPS、姿態(tài)檢測(cè)、超聲波等傳感模塊，搭配 OLED 本地顯示與機(jī)智云手機(jī) App，實(shí)現(xiàn)定位、防摔、報(bào)警及云端監(jiān)測(cè)一體化功能，為老年人安全出行與家庭照護(hù)提供技術(shù)支撐。

01系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

拐杖系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)GPS定位、防摔倒、障礙物檢測(cè)、液晶顯示、短信報(bào)警、語(yǔ)音提示、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)App等功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1智能拐杖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

02硬件設(shè)計(jì)

智能拐杖系統(tǒng)通過(guò)STM32主控芯片來(lái)傳輸和處理各傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，主控芯片通過(guò)串口的方式讀取定位模塊的地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并顯示在App和液晶顯示屏中；App和主控芯片的連接方式是無(wú)線Wi-Fi方式；用來(lái)實(shí)現(xiàn)防摔倒功能的MPU6050姿態(tài)檢測(cè)傳感器利用IIC通信方式將速度角和運(yùn)動(dòng)角參數(shù)傳遞給主控單片機(jī)。

當(dāng)MPU6050傳感器的參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，即老人以異常姿勢(shì)摔倒時(shí)，主控芯片將會(huì)觸發(fā)GSM短信報(bào)警；超聲波傳感器檢測(cè)前方障礙物；主控芯片以語(yǔ)音提醒的方式告知老人前方有危險(xiǎn)；按鍵是用來(lái)配置系統(tǒng)Wi-Fi設(shè)置和OLED屏幕上的位置、姿態(tài)等參數(shù)設(shè)置。該設(shè)計(jì)的整體電路原理如圖2所示。

（一）主控芯片

系統(tǒng)采用嵌入式芯片作為主控芯片，市面上常用的嵌入式芯片包括8/16位單片機(jī)、STM32系列、RISC-V架構(gòu)的芯片以及DSP。STM32系列的芯片在成本和功耗方面，更適合智能拐杖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，系統(tǒng)主控芯片選擇了STM32F103RC8T6型號(hào)。它屬于嵌入式微控制器集成電路的一種，32位、72 MHz的晶振，程序存儲(chǔ)器容量為256 KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為48 KB。

（二）定位模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

中科微電子的GPS芯片定位功耗在25 mA左右，價(jià)格較低，因此智能拐杖系統(tǒng)選用中科微電子生產(chǎn)的一款北斗導(dǎo)航定位模塊ATGMH336H-5N。定位模塊的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)單片機(jī)的TX和RX兩個(gè)引腳傳輸，由單片機(jī)讀取后顯示在液晶顯示屏上。該模塊的連接方式是將ATGM336H的TX輸出引腳連接到單片機(jī)的PA10引腳，模塊的RX接收引腳連接到STM32的PA9引腳，模塊的VCC連接到STM32主控芯片的電源部分，GND接地。

圖2系統(tǒng)總體電路原理

（三）防摔倒模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇了MPU6050六軸傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部有陀螺儀、數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器、加速度計(jì)和兩個(gè)IIC接口。加速度計(jì)是每個(gè)軸單獨(dú)測(cè)量的，當(dāng)模塊內(nèi)部的陀螺儀繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器會(huì)對(duì)3個(gè)軸接收到的電壓頻率采樣，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成角度信息。MPU6050與主控之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)IIC總線實(shí)現(xiàn)的。MPU6050傳感器需要提供3.3V電源供電，將傳感器的第7引腳連接到GND上，將MPU6050的串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線連接到STM32相應(yīng)的IIC時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，即分別連接到主控芯片的PB6和PB7引腳。

（四）障礙物檢測(cè)模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

超聲波傳感器的工作原理是發(fā)射超聲波并接收反射信號(hào)，通過(guò)時(shí)間差計(jì)算距離，且該傳感器的價(jià)格也偏低，因此，系統(tǒng)選擇了超聲波傳感器HC-SR04來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)。將超聲波模塊的VCC引腳與主控芯片的電源線連接，GND引腳與單片機(jī)的地線相連，超聲波模塊的TRIG線與主控單片機(jī)的PB14引腳相連接，模塊的接收線與單片機(jī)的PB15引腳連接。

（五）液晶顯示模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

OLED顯示屏由7個(gè)用于不同用途的引腳組成。GND引腳與電源地連接；VCC引腳與電源VCC連接，為該顯示器提供+5 V的工作電壓；SCK引腳用作鎖定引腳；SCL引腳、SDA引腳用作模塊的數(shù)據(jù)引腳；RE引腳是復(fù)位引腳，用于重置顯示屏；DC引腳是數(shù)據(jù)命令引腳，表示片選引腳。與單片機(jī)連接時(shí)要先將顯示屏的SCL和SDA兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳分別與單片機(jī)的PB8和PB9相連接，VCC與單片機(jī)的3.3 V連接，GND接地。

（六）短信報(bào)警模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

選擇SIM900A模塊更適合智能拐杖系統(tǒng)，因?yàn)樗浅Ｐ∏?，可以方便地嵌入到各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。主控芯片與SIM900A的數(shù)據(jù)傳輸方式是UART通信方式，它通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的線路進(jìn)行通信，一個(gè)用于發(fā)送，另一個(gè)用于接收。連接短信模塊時(shí)，單片機(jī)的TX應(yīng)該連接到短信芯片的PB11引腳，單片機(jī)的PB10與SIM900A芯片的TX線連接。在實(shí)際硬件的連接中，需要注意信號(hào)電平的一致性。

（七）語(yǔ)音提示模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

JQ8900語(yǔ)音芯片內(nèi)部有一個(gè)專(zhuān)門(mén)對(duì)音頻解碼的解碼器，用于處理音頻數(shù)據(jù)，還有一個(gè)FLASH存儲(chǔ)器用于對(duì)語(yǔ)音音頻進(jìn)行存儲(chǔ)。芯片的串口為3.3 V的TTL電平，對(duì)JQ8900語(yǔ)音模塊進(jìn)行電路連接時(shí)，首先是電源連接，模塊的VCC引腳和接地線分別連接到電源的正極和負(fù)極。模塊的TX引腳連接到單片機(jī)的PB0引腳，RX引腳連接到單片機(jī)的PB1引腳，同時(shí)還需要將兩個(gè)設(shè)備的地線連接到一起。

（八）Wi-Fi模塊的選型及電路設(shè)計(jì)

在眾多Wi-Fi模塊中，系統(tǒng)選用了ESP8266芯片，因?yàn)樾詢r(jià)比高，與單片機(jī)通過(guò)串口通信并且在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用較多，且這款Wi-Fi芯片還帶有TCP/IP協(xié)議棧。將ESP8266 Wi-Fi模塊運(yùn)用到智能拐杖系統(tǒng)時(shí)，需要將ESPRXD引腳和TXD引腳分別與主控芯片的PA2口、PA3口連接，模塊的電源引腳和使能引腳EN需要連接3.3 V的電源。

03軟件設(shè)計(jì)

（一）主函數(shù)程序設(shè)計(jì)

主程序的設(shè)計(jì)流程是先控制主控芯片對(duì)OLED顯示屏、姿態(tài)檢測(cè)傳感器、串口等進(jìn)行初始化。初始化完成后，單片機(jī)讀取定位模塊的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并顯示在OLED上，當(dāng)超聲波模塊檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)觸發(fā)語(yǔ)音模塊報(bào)警提示并顯示在OLED上，當(dāng)防摔倒模塊測(cè)得異常角度時(shí)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警和短信報(bào)警功能，并將老人的實(shí)時(shí)位置、身體情況顯示在短信中。主程序流程圖如圖3所示。

圖3主程序設(shè)計(jì)流程

（二）Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)模塊程序設(shè)計(jì)

ESP8266是為了實(shí)現(xiàn)智能拐杖聯(lián)網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸pp上。編寫(xiě)聯(lián)網(wǎng)模塊時(shí)，首先需要對(duì)硬件進(jìn)行初始化，定義ESP8266＿Init()函數(shù)，確保模塊能夠正常工作并與主控芯片進(jìn)行通信。定義RSP8266＿Set WorkMode()函數(shù)，將模塊的工作模式設(shè)置為STA模式。配置Wi-Fi連接參數(shù)并嘗試連接到指定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ESP＿Set upServer()設(shè)置端口和協(xié)議類(lèi)型，通過(guò)ESP＿HandleClientRequests()創(chuàng)建服務(wù)器，接收并處理客戶端請(qǐng)求，發(fā)送響應(yīng)到客戶端。

（三）機(jī)智云平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能拐杖系統(tǒng)需要使用云服務(wù)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于機(jī)智云是面向開(kāi)發(fā)者的一站式智能硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此本文選用機(jī)智云開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與云端和App的通信。首先在機(jī)智云平臺(tái)上創(chuàng)建產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)就是智能拐杖系統(tǒng)在遠(yuǎn)程終端上的老人和監(jiān)護(hù)人的相關(guān)信息，包括拐杖系統(tǒng)的光照強(qiáng)度、摔倒報(bào)警指示、障礙物距離、經(jīng)緯度以及短信報(bào)警電話。

創(chuàng)建完產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，將機(jī)智云的代碼移植到項(xiàng)目中，生成的代碼包含了對(duì)機(jī)智云通信協(xié)議進(jìn)行解析和封裝功能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換邏輯?；跈C(jī)智云的智能拐杖手機(jī)App功能設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 APP功能設(shè)計(jì)界面

四、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

本文最終實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)智云的智能拐杖系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的焊接進(jìn)行檢查，當(dāng)單片機(jī)接入5 V的電源時(shí)，系統(tǒng)正常開(kāi)機(jī)、模塊正常亮燈、顯示屏正常顯示，說(shuō)明系統(tǒng)焊接無(wú)誤，正常工作。拐杖系統(tǒng)的硬件端實(shí)物如圖5所示。

圖5智能拐杖系統(tǒng)硬件實(shí)物

在測(cè)試短信報(bào)警功能的過(guò)程中，可以先采用USB-TTL來(lái)嘗試發(fā)送短信，連接好線后將收信人的手機(jī)號(hào)轉(zhuǎn)換成Unicode碼，然后把需要發(fā)送的文本內(nèi)容編輯好。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大幅度的傾斜時(shí)，語(yǔ)音模塊會(huì)發(fā)出“請(qǐng)注意，你已摔倒”的報(bào)警聲音，接著手機(jī)上會(huì)有老人發(fā)來(lái)的求助短信，手機(jī)顯示的結(jié)果如圖6所示。

圖6短信報(bào)警測(cè)試

04結(jié)語(yǔ)

為提升老年人的獨(dú)立生活能力，開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)智云的智能拐杖系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)定位、防摔倒、緊急短信報(bào)警、障礙物檢測(cè)和語(yǔ)音提示等功能。首先，設(shè)計(jì)了硬件部分，以主控芯片供電并實(shí)現(xiàn)基本功能；接著，通過(guò)定位模塊與主控芯片連接，提供實(shí)時(shí)定位；然后，利用MPU6050姿態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)跌倒，當(dāng)檢測(cè)到異常參數(shù)時(shí)可觸發(fā)短信報(bào)警；通過(guò)超聲波探測(cè)障礙物并通過(guò)語(yǔ)音提示，以防摔倒。