基于MCU的智能定位报警拐杖研究

李娜

（青岛黄海学院 山东 青岛 266427）

随着社会文明程度的提高，老年人、盲人、智障人士的一些特殊需求值得进一步的关注。

经常发现，老年人由于年事已高，记忆力下降，记不住自己家的位置，也记不住和子女家之间的路，不敢外出，不能来回走动；智障人士离开监护人（亲人、养老院、监护中心等）后不知去向，很难寻找；盲人在去单位或者出行时，经常偏离预定路线等等。为了解决上述问题，文中提出了研制智能拐杖的课题[1]。

智能拐杖的基本工作原理是：利用GPS的卫星定位功能，随时确定使用者的位置，将当前的经纬度信息和预先存储在拐杖里的路径信息进行比较，如果超出预定范围则给出提示信息，帮助使用者回到预定范围；如果超出一定范围，向监护人发送GSM短信息报警、求助，信息内容包括当前的定位信息、时间等；利用角度传感器感知拐杖是否歪倒，如果拐杖随老人一起摔到超过一定时间，向监护人发送GSM短信息报警、求助；监护人可以随时向智能拐杖发短信查询当前位置；监护人可以通过GPRS与智能拐杖建立网络连接，在地图上显示实时位置和行走轨迹，监控使用者的活动范围，帮助监护人尽快找到使用者[2]。

1 系统硬件组成

智能拐杖系统的硬件分为智能拐杖终端和监控终端两部分。智能拐杖终端主要由GS-89m-J定位模块、EM310传输模块、角度传感器、W77E58单片机控制电路组成。监控终端主要有普通手机、PDA、微机等。系统硬件组成示意图如图1 所示[3]。

图1 系统硬件组成示意图Fig.1 System hardware schemes

1.1 智能拐杖终端

1.1.1 GS-89m-J定位模块

GS-89m-J是一个稳定性高、高效能、低耗电的智能型卫星接收模块，它采用联发科技公司所设计的32通道定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能，广泛应用在嵌入式系统中，性能非常稳定，功耗低，工作电流只有40 mA左右，接收精度可以达到3 m，采用4 800波特率与单片机串口1通信，提供具体的经纬度和时间信息。

1.1.2 角度传感器

采用MEC原装倾斜开关SW-460D，灵敏度高，比较器采用LM393芯片，工作稳定，在常温及正常使用下开关寿命可达10万次，数字量输出接口可以与单片机IO口直接相连，灵敏度可调。用于检测拐杖的歪倒状态。

1.1.3 EM310传输模块

传输模块选用了华为EM310，支持AT指令，可以工作在900、1 800两个频带，工作在GSM、GPRS两种模式，体积小、功耗低，可进行GSM、GPRS通信。与主控器件连线简单，仅仅需要两根线就可以正常通信。传输模块负责在智能拐杖终端和监控终端之间进行语音通信、短信收发和建立GPRS连接。原理图如图2所示[4-7]。

图2 EM310传输模块原理图Fig.2 EM310 transmission module schemes

1.1.4 单片机控制电路

单片机控制电路组织和控制GS-89m-J定位模块、角度传感器、EM310传输模块进行有序协调的工作。单片机选用W77E58，可以提供两个串口，分别与GS-89m-J定位模块、EM310传输模块通信。在预置活动路线时，单片机记录路线上各点的GPS信息并存储在系统中，以用于判定实际活动路线是否超出该范围。原理图如图3所示。

1.2 监控终端

监控终端可以使用普通手机，也可以使用PDA、微机。

用普通手机和 PDA时，需要接入 CMWAP、CMNET、CMCARD等无线上网服务，主要实现与智能拐杖终端的语音通信、定位信息收发等功能。

图3 单片机控制电路原理图Fig.3 MCU control circuit schemes

使用微机可以实现实时定位，显示活动轨迹等，软件上结合数据库技术、地理信息技术、网络协议技术等，硬件上需要接入Internet，宽带网络或者ADSL均可，但是要求有网络服务供应商提供的公网IP地址，如果是局域网用户，需要设置端口映射。IP地址动态或静态均可，但是动态IP需要申请动态域名解析服务。

2 系统软件功能

智能拐杖终端软件主要完成初始化设置、路径预置、定位、拐杖状态判定、提示和求助、建立GPRS连接等功能。智能拐杖终端软件功能框图如图4所示。微机端软件主要设置Internet连接参数、MAPX地图显示等功能。微机实时监控界面如图5所示。

图4 终端软件功能框图Fig.4 Terminal software function diagram

图5 实时监控界面Fig.5 Real-time monitoring interface

3 结束语

根据以上设计，制作了智能拐杖样机。通过对样机的测试，主要实现了如下功能：1）卫星定位功能，监护人可随时确定使用者的具体位置；2）偏离提示和求助功能，在使用者偏离预定路线时给予主动提示，必要时呼叫监护人，发出求助信息；

3）拐杖倾倒自动呼救功能，在使用者摔倒，拐杖随之倾倒超过一定时间，主动向监护人发送求救信息；

4）监护人可以通过微机监控使用者的活动轨迹，实现连续实时定位。

本项目推广应用后，可以解决老年人、残疾人和智障人士因种种原因在迷路、走失时，给使用者和监护人等提供有效帮助，帮助监护人迅速找到使用者，避免进一步的意外发生。随着社会的发展和生活水平的提高，关心和改善老年人、残疾人和智障人士的生活质量是大势所趋，该项目有广阔的应用前景，具有很好的经济意义和社会意义。

[1]陈言.一种多功能智能拐杖的设计[J].艺术与设计（理论），2010（2）：209-210.

CHEN Yan.A multi-function intelligent crutches design[J].Art and Design（Theory），2010（2）：209-210.

[2]方仁杰，朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测量与控制，2011（5）：1154-1157.

FANG Ren-jie，ZHU Wei-bing.Based on the GPS positioning and ultrasonic waveguide blind crutches design[J].Computer Measurement&Control，2011（5）：1154-1157.

[3]林敬学，刘培学，田玉芹.基于MCU的工程机械柴油车辆油耗计量系统研究[J].电子设计工程，2011（18）：106-108.

LINJing-xue，LIUPei-xue，TIANYu-qin.Researchofengineering machinery diesel cars oil consumption measurement system based on MCU[J].Electronic Design Engineering，2011（18）：106-108.

[4]EM310产品描述[S].深圳：华为技术有限公司，2008.

[5]EM310概述[S].深圳:华为技术有限公司，2008.

[6]EM310模块快速开发指导 [S].深圳:华为技术有限公司，2008.

[7]华为EM310无线模块 AT命令手册_081219[S].深圳:华为技术有限公司，2008.