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智能拐杖控制板設計開發


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。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導盲犬。由于培養一只良好的導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。然而傳統的拐杖只是一根長棍,結構簡單、功能單一,存在一系列問題。

本文通過采用超聲波測距設計并加入夜晚模式,能夠更好地保護老年人或盲人的出行安全。本設計定位明確,專為老年和盲人群體設計,簡化了拐杖結構,操作簡單,方便實用。

一、多功能智能拐杖系統的總體設計

整個系統主要由單片機控制、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,向監護人發出求救短信;當使用者預感到身體不適,可按下求救鍵,直接向監護人發送求救信息;若因操作不當,誤發了求救短信,使用者還可按下誤報鍵,向監護人發送安全信息,避免引起監護人不必要的擔心;使用者可以語音控制家用電器的開關,實現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。系統的功能框圖如圖1所示。

圖 1 多功能智能拐杖功能框圖

二、智能拐杖硬件電路設計

(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的8051單片機,速度最快可達傳統8051單片機的12倍。該單片機運行穩定,可長時間在智能拐杖系統中工作,適合在拐杖這種便攜式設備上使用。

(2)GSM通信模塊:該模塊包括一個RF天線和一個接收模塊,可實現求救短信的發送,監護人可對使用者進行遠程監護。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。當拐杖檢測到使用者摔倒后,自動向監護人發送求救短信。

(3)GPS定位模塊:GPS定位主要實現使用者所在位置的準確定位,當使用者面臨突發情況時便于監護人及時發現其位置,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。當使用者摔倒或遇到危險時,其位置可通過GSM通信模塊發送到監護人的手機上。在復雜的城市街道可實現高精度定位,方便監護人第一時間找到走失老人的位置。

(4)語音識別模塊:該模塊由語音輸入、語音識別、無線傳輸等部分組成。LD3320芯片用于語音識別,能夠識別人發出的非特定語音,語音信號經過處理轉化為電平信號傳送到單片機,經單片機處理后,來控制家用電器的開關,如語音控制電燈的開關,該模塊的控制流程如圖3所示。

圖 3 語音識別模塊流程圖

(5)障礙物報警模塊:該模塊使用超聲波測距,利用發射器發射超聲波,同時單片機開始計時,當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為v,利用s=v×Δt,就能夠計算出超聲波模塊發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,當測量值小于程序中設定的安全距離時,系統會語音提示使用者。

三、智能拐杖系統軟件設計

多功能智能拐杖的軟件程序包括系統啟動、參數設置、障礙報警、語音控制及狀態檢測等子程序。本系統的軟件設計采用性能可靠的C語言編寫,具體流程如圖4所示。

圖 4 系統程序流程圖

結語

針對老人和盲人日常出行不便等問題,本文設計實現的多功能智能拐杖能夠為老年人提供行走支撐、實時監控、及時求救等功能,為盲人提供障礙物提醒、告知盲人當前的方位和時間、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,降低事故發生的概率,保證他們的人身安全。本設計克服了傳統拐杖結構簡單、功能單一、無法實時監控、及時求救的弊端,可對老年人出現意外情況及盲人出行等問題提供一定的幫助。

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