隨著老齡化加劇與科技進步，“物聯網 + 養老” 成為智慧養老核心方向，老年人出行安全與健康監測需求日益迫切。針對傳統拐杖智能化不足、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網平臺的智能拐杖系統，以 STM32 為核心主控，集成 GPS、姿態檢測、超聲波等傳感模塊，搭配 OLED 本地顯示與機智云手機 App，實現定位、防摔、報警及云端監測一體化功能，為老年人安全出行與家庭照護提供技術支撐。

01系統總體設計

拐杖系統主要能實現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聯網App等功能。系統總體設計結構如圖1所示。

圖1智能拐杖系統總體設計結構

02硬件設計

智能拐杖系統通過STM32主控芯片來傳輸和處理各傳感設備采集的數據，主控芯片通過串口的方式讀取定位模塊的地理經緯度數據，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；用來實現防摔倒功能的MPU6050姿態檢測傳感器利用IIC通信方式將速度角和運動角參數傳遞給主控單片機。

當MPU6050傳感器的參數超過閾值時，即老人以異常姿勢摔倒時，主控芯片將會觸發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Wi-Fi設置和OLED屏幕上的位置、姿態等參數設置。該設計的整體電路原理如圖2所示。

（一）主控芯片

系統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的設計，因此，系統主控芯片選擇了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，數據存儲容量為48 KB。

（二）定位模塊的選型及電路設計

中科微電子的GPS芯片定位功耗在25 mA左右，價格較低，因此智能拐杖系統選用中科微電子生產的一款北斗導航定位模塊ATGMH336H-5N。定位模塊的數據會通過單片機的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系統總體電路原理

（三）防摔倒模塊的選型及電路設計

系統選擇了MPU6050六軸傳感器模塊來實現，其內部有陀螺儀、數字運動處理器、加速度計和兩個IIC接口。加速度計是每個軸單獨測量的，當模塊內部的陀螺儀繞軸旋轉時，數字運動處理器會對3個軸接收到的電壓頻率采樣，經模數轉換成角度信息。MPU6050與主控之間的數據傳輸是通過IIC總線實現的。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據線連接到STM32相應的IIC時鐘線和數據線，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計

超聲波傳感器的工作原理是發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，系統選擇了超聲波傳感器HC-SR04來實現障礙物檢測。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引腳用作模塊的數據引腳；RE引腳是復位引腳，用于重置顯示屏；DC引腳是數據命令引腳，表示片選引腳。與單片機連接時要先將顯示屏的SCL和SDA兩個數據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計

選擇SIM900A模塊更適合智能拐杖系統，因為它非常小巧，可以方便地嵌入到各種產品設計中。主控芯片與SIM900A的數據傳輸方式是UART通信方式，它通過兩個獨立的線路進行通信，一個用于發送，另一個用于接收。連接短信模塊時，單片機的TX應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計

JQ8900語音芯片內部有一個專門對音頻解碼的解碼器，用于處理音頻數據，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備的地線連接到一起。

（八）Wi-Fi模塊的選型及電路設計

在眾多Wi-Fi模塊中，系統選用了ESP8266芯片，因為性價比高，與單片機通過串口通信并且在物聯網設備的開發中應用較多，且這款Wi-Fi芯片還帶有TCP/IP協議棧。將ESP8266 Wi-Fi模塊運用到智能拐杖系統時，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軟件設計

（一）主函數程序設計

主程序的設計流程是先控制主控芯片對OLED顯示屏、姿態檢測傳感器、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緯度數據并顯示在OLED上，當超聲波模塊檢測到前方有障礙物時觸發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主程序設計流程

（二）Wi-Fi聯網模塊程序設計

ESP8266是為了實現智能拐杖聯網，并將數據傳輸到App上。編寫聯網模塊時，首先需要對硬件進行初始化，定義ESP8266＿Init()函數，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，將模塊的工作模式設置為STA模式。配置Wi-Fi連接參數并嘗試連接到指定的Wi-Fi網絡，通過ESP＿Set upServer()設置端口和協議類型，通過ESP＿HandleClientRequests()創建服務器，接收并處理客戶端請求，發送響應到客戶端。

（三）機智云平臺設計

智能拐杖系統需要使用云服務平臺對系統進行實時監控。由于機智云是面向開發者的一站式智能硬件開發平臺，因此本文選用機智云開發平臺實現硬件設備與云端和App的通信。首先在機智云平臺上創建產品和數據點，數據點就是智能拐杖系統在遠程終端上的老人和監護人的相關信息，包括拐杖系統的光照強度、摔倒報警指示、障礙物距離、經緯度以及短信報警電話。

創建完產品和數據點之后，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議進行解析和封裝功能，同時還實現了傳感器數據與通信數據之間的轉換邏輯。基于機智云的智能拐杖手機App功能設計界面如圖4所示。

圖4 APP功能設計界面

四、系統的實現與測試

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

圖5智能拐杖系統硬件實物

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

圖6短信報警測試

04結語

為提升老年人的獨立生活能力，開發了一種基于機智云的智能拐杖系統。該系統具備實時定位、防摔倒、緊急短信報警、障礙物檢測和語音提示等功能。首先，設計了硬件部分，以主控芯片供電并實現基本功能；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姿態傳感器監測跌倒，當檢測到異常參數時可觸發短信報警；通過超聲波探測障礙物并通過語音提示，以防摔倒。