基于STM32单片机的多功能智能拐杖设计

郑灏　喻伟闯　钱楷　龚美凤　刘志雄

摘 要：针对目前老人出行安全的问题，设计一款在老人出现意外状况时能及时呼救和报警的智能拐杖。设计以STM32单片机为控制核心，结合当前先进的成熟的信号处理算法、传感器技术、无线通信技术，采用MPU6050水平检测模块实时测量拐杖与地面的倾角，在出现突发情况时通过语音模块识别求救，GPS模块实现定位功能，以信息的方式发送给监护人。此外，系统还能显示温湿度、PM2.5浓度等环境信息。测试结果表明，整个系统性能稳定，灵敏度高，操作方便，并且功能易于扩展，满足老年人出行多方面需求。

关键词：STM32单片机；水平检测；语音识别；GPS定位

中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：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世纪的中国各地人口老龄化现象日益明显，外出出行及运动是新世纪老年人的生活理念，但另一方面摔倒也是老年人经常发生的意外，严重影响了老人的身心健康[1]。考虑到老年人对拐杖的需求，设计了一款基于STM32单片机控制的集环境信息显示、语音识别、短信报警、GPS定位等功能于一体的智能拐杖系统，能够实时监护使用者的行走状态及周边情况，综合采集信息進行多方面显示。系统可适用于居民小区或社会福利站等小型社区的老年人群体，并可以进行功能扩展，应用到单独个体使用，达到应用到日常生活中的作用。

2 系统总体方案设计

系统利用PM2.5传感器、温湿度传感器对室外温湿度以及空气质量等环境信息进行采集，综合使用STM32，将当天室外环境质量信息在LCD显示屏上进行实时显示，方便老年人出行。在老人意外摔倒时，MPU6050将信号传送至单片机， GPS将采集到的地理位置信息通过GSM模块发送给监护人，同时蜂鸣器发出声音报警信号[2]。当老人身体出现不适、迷路并发出语音求救信号后，通过LD3320模块对音频信息进行解码输出，直接通过GSM模块给家人发送地理位置及报警信息。同时当误按或者自倾倒出现判断失误时，可通过误报键清除报警信号，此时GPS模块停止工作，给监护人发送安全信息。系统结构框图如图1所示。

3 系统硬件设计

系统硬件部分主要包括温湿度传感器、PM2.5传感器检测、LCD显示三个模块来检测显示外出环境情况，语音识别、角度检测、GSM短信传、GPS定位四个模块来检测水平情况及进行定位报警等。通过相应的传感器和STM32单片机实现对环境的检测，判断拐杖与地面的角度大小是否超过临界值，通过AT指令发送信号控制GSM模块发送报警信息。

3.1 角度传感器模块

选用整合性6轴运动处理组件（MPU6050）作为测量上肢运动姿态的传感器，传感器模板电路原理图如图2。其内置惯性测量单元包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，具有数字输出、精度高、功耗低、可靠性高等优势，输出角度值更为精确，并且可大大简化评定仪器的结构。通过测量拐杖和水平面的夹角来判断是否发生摔倒事故，当接近倾斜极限时，并持续保持极限状态时， GPS定位系统发挥作用，利用GSM模块将位置信息发送至监护人手机。

3.2 GSM模块

GSM模块为SIM900A，可以实现短信发送，语音通话，数据传输等基本功能。GSM MODEM与单片机之间采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分别为发送、接收端，与单片机的PA10、PA9连接，组成串口通信[3]。

实现通信的关键步骤如表1：

3.3 语音识别模块

选用LD3320模块。系统主控上电后首先进行各项初始化，经过初始化后SD卡文件系统会在SD卡中寻找system.ini配置文件，将里面的字段进行拆分后提取，送给LD3320相关寄存器，随后把关键字句列表和长度信息传送给LD3320并启动识别过程，当识别成功后串口会发出响应的返回值参数，并且按照用户需求可以指定需要解码的音频文件，经过LD3320进行MP3文件解码输出[4]。

4 系统软件设计

软件部分主要分为数据采集处理和服务器通信两部分，单片机和各传感器模块间进行信息读取、处理，通过中断程序执行相关的指令操作。而且检测摔倒并做出相关反应是该智能拐杖的主要功能，该部分程序流程图如图3示。MPU6050运动组件检测拐杖的倾斜状态，通过AD转换将模拟信号转化为数字信号，上传至STM32芯片进行信息处理，执行相应的操作。

5 结束语

本设计是一款基于STM32 单片机的智能拐杖系统。本系统以解决老年人出行实际问题为出发点，将MPU6050传感器与微控制器相结合，判断老人是否摔倒，进行自动报警。利用GPS和GSM模块，确保在遇到紧急情况时能够与其亲属及时取得的联系，并且第一时间告知其位置信息。同时系统还具有环境实时检测语音提醒功能。实验证明，该设计操作方便，性能稳定，能够保障老年人安全出行。此外，该系统成本低，性能稳定，功能易于扩展，隨着研究的不断深入，智能拐杖上可以嵌入更多的健康指标监测功能，如检测体温、运动量、血压等，具有较高的市场应用价值。

参考文献：

[1]景婷婷，陆小左，傅琳洁.老年人多功能智能拐杖的设计与实现[J].电子产品世界，2015，22（07）：40-42.

[2]刘元，吴彦文，卢佳卉，等.基于物联网的自动报警智能拐杖系统的设计[J].电子测量技术，2016，39（09）：123-127

[3]吕雪杰，田宇航，张旭东，等.基于C/S模式的Android智能拐杖系统[J].企业技术开发，2017，36（07）：57-58+75.

[4]李佳佳，刘宁.基于STC15F2K60S2单片机的智能拐杖设计[J].微型机与应用，2017，36（14）：92-94.