基于單片機的多功能智能拐杖設(shè)計

引 言

中國在 2000 年開始步入老齡化社會，目前已成為世界上老年人口最多的國家之一。老年人身體機能的衰退給出行帶來極大不便，腿腳不便的老年人會選擇拐杖輔助出行 [1]。同時中國還是全世界盲人最多的國家之一。一般情況下，盲人的出行只能依靠拐杖或?qū)とＳ捎谂囵B(yǎng)一只良好的導(dǎo)盲犬需要花費較長的精力和較高的成本，因此更多的人選擇拐杖 [2]。然而傳統(tǒng)的拐杖只是一根長棍，結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，存在一系列問題。

國內(nèi)有不少人對智能拐杖做了研究，仲小英 [3] 設(shè)計的智能拐杖采用 GSM 通信和 GPS 定位技術(shù)，但沒有考慮到老年人夜晚行走的情況，如果在光線不好的情況下，老人可能因為視力下降而被障礙物絆倒，從而發(fā)生意外。景婷婷 [4] 等人設(shè)計的智能拐杖采用紅外避障，使用時極大地受到環(huán)境因素的限制。王玉花 [5] 和魏慶麗 [6] 等人設(shè)計的智能拐杖增加了手機 APP 功能和顯示屏，但對于不會使用智能手機的老年人來說反而增加了使用難度。本文通過采用超聲波測距設(shè)計并加入夜晚模式，能夠更好地保護老年人或盲人的出行安全。本設(shè)計定位明確，專為老年和盲人群體設(shè)計，簡化了拐杖結(jié)構(gòu)，操作簡單，方便實用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由單片機控制、GPS 定位、語音識別、GSM 通信、障礙物報警、摔倒檢測、語音播報和燈光警示等模塊組成。系統(tǒng)上電后，拐杖開啟智能模式，使用者在行走中，拐杖檢測到前方障礙物，會語音提示報警 ；使用者不慎摔倒時，拐杖會發(fā)出警報聲，引起周圍行人注意并實施援救，若拐杖傾斜 15 s，單片機將自動控制 GSM 通信模塊，向監(jiān)護人發(fā)出求救短信 ；當(dāng)使用者預(yù)感到身體不適，可按下求救鍵，直接向監(jiān)護人發(fā)送求救信息 ；若因操作不當(dāng)，誤發(fā)了求救短信，使用者還可按下誤報鍵，向監(jiān)護人發(fā)送安全信息，避免引起監(jiān)護人不必要的擔(dān)心 ；使用者可以語音控制家用電器的開關(guān)，實現(xiàn)了家用電器的智能控制。拐杖操作簡單，功能實用，能夠滿足老人和盲人的生活需求 [7]。系統(tǒng)的功能框圖如圖 1 所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機控制模塊

該模塊采用 STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，它具有功耗低、抗干擾能力強等特點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051 單片機，速度最快可達傳統(tǒng) 8051 單片機的 12 倍。該單片機運行穩(wěn)定，可長時間在智能拐杖系統(tǒng)中工作，適合在拐杖這種便攜式設(shè)備上使用 [8]。

2.2 GSM通信模塊

該模塊包括一個 RF 天線和一個接收模塊，可實現(xiàn)求救短信的發(fā)送，監(jiān)護人可對使用者進行遠程監(jiān)護。該拐杖選用的是 Air208 模塊，兼容 SIM900A 指令、尺寸小、省電，能夠滿足智能拐杖的通信要求。單片機與 GSM 模塊之間的通信采用 UART 串行口通信，GSM 模塊直接受單片機的控制。

當(dāng)拐杖檢測到使用者摔倒后，自動向監(jiān)護人發(fā)送求救短信， 監(jiān)護人收到的手機短信如圖 2 所示。

圖 2 監(jiān)護人手機短信

2.3 GPS定位模塊

GPS 定位主要實現(xiàn)使用者所在位置的準(zhǔn)確定位，當(dāng)使用者面臨突發(fā)情況時便于監(jiān)護人及時發(fā)現(xiàn)其位置，實施救援。該拐杖選用的是 GT-U7 模塊，該模塊啟動時間短、功耗低、體積小，極高的追蹤靈敏度擴大了定位的覆蓋面積。當(dāng)使用者摔倒或遇到危險時，其位置可通過 GSM 通信模塊發(fā)送到監(jiān)護人的手機上。在復(fù)雜的城市街道可實現(xiàn)高精度定位，方便監(jiān)護人第一時間找到走失老人的位置 [9-10]。

2.4 語音識別模塊

該模塊由語音輸入、語音識別、無線傳輸?shù)炔糠纸M成。LD3320 芯片用于語音識別，能夠識別人發(fā)出的非特定語音， 語音信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為電平信號傳送到單片機，經(jīng)單片機處理后，來控制家用電器的開關(guān)，如語音控制電燈的開關(guān)， 該模塊的控制流程如圖 3 所示。

2.5 障礙物報警模塊

該模塊使用超聲波測距，利用發(fā)射器發(fā)射超聲波，同時單片機開始計時，當(dāng)超聲波接收器接收到障礙物反射的回波后，單片機停止計時。這段時間為 Δt，將空氣中超聲波的傳播速度設(shè)為 v，利用 s=v×Δt，就能夠計算出超聲波模塊發(fā)射點距障礙物的距離 s。該模塊可實時檢測距前方障礙物的距離，當(dāng)測量值小于程序中設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)會語音提示使用者。

3 軟件設(shè)計

多功能智能拐杖的軟件程序包括系統(tǒng)啟動、參數(shù)設(shè)置、障礙報警、語音控制及狀態(tài)檢測等子程序。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用性能可靠的 C 語言編寫，具體流程如圖 4 所示。

4 結(jié) 語

針對老人和盲人日常出行不便等問題，本文設(shè)計實現(xiàn)的多功能智能拐杖能夠為老年人提供行走支撐、實時監(jiān)控、及時求救等功能，為盲人提供障礙物提醒、告知盲人當(dāng)前的方位和時間、緊急情況下向家人求助等功能。符合老年人的需求，使老年人擁有一個健康安全的晚年。同時能夠提醒盲人前方路況，幫助他們避開障礙物，告知他們所處位置，有助于盲人出行，降低事故發(fā)生的概率，保證他們的人身安全。本設(shè)計克服了傳統(tǒng)拐杖結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、無法實時監(jiān)控、及時求救的弊端，可對老年人出現(xiàn)意外情況及盲人出行等問題提供一定的幫助。