隨著老齡化加劇與科技進步，“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)測需求日益迫切。針對傳統(tǒng)拐杖智能化不足、功能單一的痛點，本文提出一種融合多傳感器與機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能拐杖系統(tǒng)，以 STM32 為核心主控，集成 GPS、姿態(tài)檢測、超聲波等傳感模塊，搭配 OLED 本地顯示與機智云手機 App，實現(xiàn)定位、防摔、報警及云端監(jiān)測一體化功能，為老年人安全出行與家庭照護提供技術(shù)支撐。

01系統(tǒng)總體設(shè)計

拐杖系統(tǒng)主要能實現(xiàn)GPS定位、防摔倒、障礙物檢測、液晶顯示、短信報警、語音提示、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)App等功能。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1智能拐杖系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

02硬件設(shè)計

智能拐杖系統(tǒng)通過STM32主控芯片來傳輸和處理各傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，主控芯片通過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線Wi-Fi方式；用來實現(xiàn)防摔倒功能的MPU6050姿態(tài)檢測傳感器利用IIC通信方式將速度角和運動角參數(shù)傳遞給主控單片機。

當MPU6050傳感器的參數(shù)超過閾值時，即老人以異常姿勢摔倒時，主控芯片將會觸發(fā)GSM短信報警；超聲波傳感器檢測前方障礙物；主控芯片以語音提醒的方式告知老人前方有危險；按鍵是用來配置系統(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、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，因此，系統(tǒng)主控芯片選擇了STM32F103RC8T6型號。它屬于嵌入式微控制器集成電路的一種，32位、72 MHz的晶振，程序存儲器容量為256 KB，數(shù)據(jù)存儲容量為48 KB。

（二）定位模塊的選型及電路設(shè)計

中科微電子的GPS芯片定位功耗在25 mA左右，價格較低，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)會通過單片機的TX和RX兩個引腳傳輸，由單片機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

系統(tǒng)選擇了MPU6050六軸傳感器模塊來實現(xiàn)，其內(nèi)部有陀螺儀、數(shù)字運動處理器、加速度計和兩個IIC接口。加速度計是每個軸單獨測量的，當模塊內(nèi)部的陀螺儀繞軸旋轉(zhuǎn)時，數(shù)字運動處理器會對3個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IIC總線實現(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的串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線連接到STM32相應(yīng)的IIC時鐘線和數(shù)據(jù)線，即分別連接到主控芯片的PB6和PB7引腳。

（四）障礙物檢測模塊的選型及電路設(shè)計

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，通過時間差計算距離，且該傳感器的價格也偏低，因此，系統(tǒng)選擇了超聲波傳感器HC-SR04來實現(xiàn)障礙物檢測。將超聲波模塊的VCC引腳與主控芯片的電源線連接，GND引腳與單片機的地線相連，超聲波模塊的TRIG線與主控單片機的PB14引腳相連接，模塊的接收線與單片機的PB15引腳連接。

（五）液晶顯示模塊的選型及電路設(shè)計

OLED顯示屏由7個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。與單片機連接時要先將顯示屏的SCL和SDA兩個數(shù)據(jù)引腳分別與單片機的PB8和PB9相連接，VCC與單片機的3.3 V連接，GND接地。

（六）短信報警模塊的選型及電路設(shè)計

選擇SIM900A模塊更適合智能拐杖系統(tǒng)，因為它非常小巧，可以方便地嵌入到各種產(chǎn)品設(shè)計中。主控芯片與SIM900A的數(shù)據(jù)傳輸方式是UART通信方式，它通過兩個獨立的線路進行通信，一個用于發(fā)送，另一個用于接收。連接短信模塊時，單片機的TX應(yīng)該連接到短信芯片的PB11引腳，單片機的PB10與SIM900A芯片的TX線連接。在實際硬件的連接中，需要注意信號電平的一致性。

（七）語音提示模塊的選型及電路設(shè)計

JQ8900語音芯片內(nèi)部有一個專門對音頻解碼的解碼器，用于處理音頻數(shù)據(jù)，還有一個FLASH存儲器用于對語音音頻進行存儲。芯片的串口為3.3 V的TTL電平，對JQ8900語音模塊進行電路連接時，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極。模塊的TX引腳連接到單片機的PB0引腳，RX引腳連接到單片機的PB1引腳，同時還需要將兩個設(shè)備的地線連接到一起。

（八）Wi-Fi模塊的選型及電路設(shè)計

在眾多Wi-Fi模塊中，系統(tǒng)選用了ESP8266芯片，因為性價比高，與單片機通過串口通信并且在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(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模塊運用到智能拐杖系統(tǒng)時，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

（一）主函數(shù)程序設(shè)計

主程序的設(shè)計流程是先控制主控芯片對OLED顯示屏、姿態(tài)檢測傳感器、串口等進行初始化。初始化完成后，單片機讀取定位模塊的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并顯示在OLED上，當超聲波模塊檢測到前方有障礙物時觸發(fā)語音模塊報警提示并顯示在OLED上，當防摔倒模塊測得異常角度時觸發(fā)語音報警和短信報警功能，并將老人的實時位置、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)計流程

（二）Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)模塊程序設(shè)計

ESP8266是為了實現(xiàn)智能拐杖聯(lián)網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸pp上。編寫聯(lián)網(wǎng)模塊時，首先需要對硬件進行初始化，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ESP＿Set upServer()設(shè)置端口和協(xié)議類型，通過ESP＿HandleClientRequests()創(chuàng)建服務(wù)器，接收并處理客戶端請求，發(fā)送響應(yīng)到客戶端。

（三）機智云平臺設(shè)計

智能拐杖系統(tǒng)需要使用云服務(wù)平臺對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。由于機智云是面向開發(fā)者的一站式智能硬件開發(fā)平臺，因此本文選用機智云開發(fā)平臺實現(xiàn)硬件設(shè)備與云端和App的通信。首先在機智云平臺上創(chuàng)建產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點就是智能拐杖系統(tǒng)在遠程終端上的老人和監(jiān)護人的相關(guān)信息，包括拐杖系統(tǒng)的光照強度、摔倒報警指示、障礙物距離、經(jīng)緯度以及短信報警電話。

創(chuàng)建完產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點之后，將機智云的代碼移植到項目中，生成的代碼包含了對機智云通信協(xié)議進行解析和封裝功能，同時還實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換邏輯。基于機智云的智能拐杖手機App功能設(shè)計界面如圖4所示。

圖4 APP功能設(shè)計界面

四、系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

本文最終實現(xiàn)了基于機智云的智能拐杖系統(tǒng)。對系統(tǒng)的焊接進行檢查，當單片機接入5 V的電源時，系統(tǒng)正常開機、模塊正常亮燈、顯示屏正常顯示，說明系統(tǒng)焊接無誤，正常工作。拐杖系統(tǒng)的硬件端實物如圖5所示。

圖5智能拐杖系統(tǒng)硬件實物

在測試短信報警功能的過程中，可以先采用USB-TTL來嘗試發(fā)送短信，連接好線后將收信人的手機號轉(zhuǎn)換成Unicode碼，然后把需要發(fā)送的文本內(nèi)容編輯好。當對系統(tǒng)進行大幅度的傾斜時，語音模塊會發(fā)出“請注意，你已摔倒”的報警聲音，接著手機上會有老人發(fā)來的求助短信，手機顯示的結(jié)果如圖6所示。

圖6短信報警測試

04結(jié)語

為提升老年人的獨立生活能力，開發(fā)了一種基于機智云的智能拐杖系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備實時定位、防摔倒、緊急短信報警、障礙物檢測和語音提示等功能。首先，設(shè)計了硬件部分，以主控芯片供電并實現(xiàn)基本功能；接著，通過定位模塊與主控芯片連接，提供實時定位；然后，利用MPU6050姿態(tài)傳感器監(jiān)測跌倒，當檢測到異常參數(shù)時可觸發(fā)短信報警；通過超聲波探測障礙物并通過語音提示，以防摔倒。