基于GPS 和GSM 的多功能智能拐杖设计

仲小英

摘要：为了保障老人出行安全，出现意外情况时能及时救助，本文以MSP430F149单片机作为主控芯片设计一种多功能智能型拐杖；拐杖采用SCA60C单轴倾角传感器实时测量拐杖与地平面的角度，根据设定的倾角极限角度实现老人是否发生摔倒状态的监控与报警功能；当发生类似摔倒等突发事故时，利用GPS准确定位事故现场，并通过GSM将定位结果以短消息的方式发送给监护人手机，以便于及时救援。

关键词：智能拐杖；摔倒报警；GPS定位；GSM

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）26-0144-03

如今，中国已经步入了老龄化阶段，随着年龄的增长，老年人的生理机能也逐渐开始衰退，很多时候老年人为了增加平衡力，出行的时候会选择一把拐杖来支撑自己。但老年人独自出行时安全不能保障，会为家人带来负担。如果这把拐杖除了起到支撑作用外，还能在老人发生紧急突发的情况时，及时的通知到家人，并告知其所在位置的话，就能在一定程度上解决子女的担忧。本文利用电子技术，设计了一款集摔倒报警、GPS定位、短信通信等功能于一体的新型智能拐杖。

1系统设计方案

考虑到老年人对拐杖的需求，智能拐杖的设计主要利用单片机技术，设计一款能实自动现GPS定位与自动事故求救等多功能的可收缩拐杖。拐杖结构设计成三节式，连接把手的第1节，第2节套在第1节外，第3节套在第2节外，分别在第1～2节的下部设计卡钮，第2～3节的上部设计上下间距相等的定位孔[1]，便于使用者调节拐杖长度并固定。把手和第1节为中空，内部安装以单片机为主控芯片的gps定位模块、gsm通信模块、报警求救模块等电路，拐杖把手上装有蜂鸣器，并设计电源、求救和误报三个按钮，借助卫星定位系统，利用GPS模块接收地理位置信息，单片机将筛选出来的GPS经纬度信息通过GSM模块短信通知监护人。

2 系统硬件设计

系统结构框图如图1所示。

整个系统分为单片机控制模块、摔倒事故检测模块、GPS定位模块、GSM短信通信模块及其他外围电路。电源键打开，拐杖将开启动智能功能，当老人出现身体不适、迷路等危险情况时刻按求救键，又或发生摔倒等突发情况时，这时单片机控制芯片将自动开启GPS电源供电，提取GPS采集到的地理信息，并通过AT指令控制GSM模块，将求救信息以短信的方式发送给监护人手机，同时单片机控制蜂鸣器报警，向路人求救。如果是因为老人误碰了求救键，可通过误报键来消除报警信号，停止GPS模块供电，并发送安全信息给监护人手机，以免造成监护人不必要的担心。

2.1单片机控制模块

单片机控制模块主要用于根据事件状态，从GPS模块获取经纬度信息，对获取的信息进行编码，将编码后的信息传送给GSM模块，根据需要GSM模块将信息发送到监护人的手机号码。

本系统控制模块采用了美国德州仪器（TI）公司的MSP430F149单片机，其是一款具有强大处理能力的16位单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 MHZ晶体驱动下指令周期为125 ns，这些特点保证了可编制出高效率的源程序。另外因其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处，故其有超低的功耗，适合在便携式设备上使用。

2.2定位模块

GPS定位模块主要实现老人所处位置的准确定位，当有突发事件发生时便于救援人员准确到达现场。设计采用u-blox公司的MAX-6Q，在其超小型身躯中实现了 u-blox6 定位引擎的高超性能，能在很短的时间内返回GPS卫星导航信息，专为低功耗和低成本而设计。此模块抗干扰能力强， 有1个UART接口，支持波特率4.8到115.2kBit/s，信号输入输出电平在0V到VCC范围，是标准的TTL电平，可直接与MSP430F149的UART模块通信，如图2所示。

MAX-6Q模块启动时间短，冷启动只需26 s，热启动只需1 s，工作电压为3.3V，与单片机工作电压相同，便于电源供电。此模块本身提供了最大性能模式和节点模式两种不同电源模式的选择，但如果持续工作，模块的功耗还是很大，故采用XC6209F332PR正电压LDO调整器芯片设计了GPS模块供电控制电路，如图3所示。该芯片具有CE功能，可使芯片停止工作，通过单片机的一个I/O接口控制CE端，从而有效地控制GPS模块供电，当在不需要GPS数据时，停止对GPS模块的供电，有效降低功耗[2]。

2.3 GSM模块

此模块是通过一个 GSM 发射和接收模块来实现监护人远程控制，选用了西门子公司生产的TC35i，其集成了RS232接口和SIM卡接口，可利用AT指令对其进行调试和设置[3]。单片机与GSM模块之间采用UART 串行接口通信，在连接过程中由于STM32单片机的TXD和RXD是COMS电平，而GSM模块是TTL电平，故连接时需要实现电平转换，此模块中采用了美信公司的MAX232电平转换芯片，模块电路如图4所示。在此系统中，TC35i直接受单片机控制，在收到控制信号后，将单片机传送来的信息内容发送给指定的手机号码。

2.4摔倒报警模块

此模块设计了两种报警方式，一种是一键求救报警，另一种是摔倒自动报警，其中摔倒自动报警电路是通过测量拐杖与水平面的夹角来判断是否发生摔倒事故，当接近倾倒极限时，系统给出报警警示，当拐杖倒地时，单片机开启GPS定位，通过GSM模块将老人所在的位置信息发送到监护人的手机上。该部分电路采用了安装芬兰VTI生产的SCA60C单轴倾角传感器（如图5），当拐杖倒地时角度传感器SCA60C 处于水平位置时，Vo端输出+0.5V 的模拟电压。传感器SCA60C仅可精确检测到0～90度的角度范围，当拐杖垂直使使角度传感器与水平面成90 度的角度时，此时Vo端输出+5V 的模拟电压。在0～90 度的倾角范围内，Vo 端输出的是正比于倾角大小的+0.5～+5V 的模拟电压信号，当拐杖转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时，输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V 的模拟电压信号，因此通过测定传感器SCA60C 输出端Vo电压的大小即可确定拐杖与水平面的夹角。

3 软件设计

系统的工作就是单片机对各个模块进行信息读取、数据处理和数据的发送等操作。因此，本系统的设计关键就是单片机与串行设备之间的串口通信和数据处理。 图6为本系统功能框图。由于各模块之间的通信周期是不固定的，故系统软件设计采用中断方式。在所有中断收发程序中，只完成信息的收发处理过程，其余处理过程由各对应的功能模块完成，并做好相应的程序接口设计，传递信息。

3.1 GPS数据接收

系统工作过程中，CPU在多数情况下处于睡眠状态，其主要工作在中断唤醒下才开始。开机时系统会首先初始化，设置系统串口波特率、启动串口、初始化数据存储单元任务，实现单片机控制模块、外围器件以及GSM和GPS模块的初始化工作。图7为GPS数据接收中断处理程序流程图。

3.2 GPS数据的提取和发送

GPS模块接收的数据协议是NMEA-0183通信标准格式，输出数据采用ASCII码[4]，根据功能需要，本系统设计只需定位，故只提取解码GPRMC字段（含有经度和纬度信息），GPS 数据提取和发送的程序流程如图8所示。

3.3 摔倒报警信号的采集

系统上电时先对单片机内部进行初始化，使单片机进入相应的状态和模式，然后初始化摔倒报警模块中的倾角传感器，便于其正常的监控拐杖当前的信号状态。接着，系统将进行信号采集，单片机采集到倾角传感器的信号，并将其与临界值比较，若小于临界值，则认为拐杖歪倒，报警器发出报警，同时再与极限值比较，若相等，则认为发生摔倒事故，启动GPS模块定位；否则说明当前老人安全，返回信号采集模块继续对老人监控，如图9流程图所示。

4 结束语

根据以上设计，完成了智能拐杖样品制作，该样品可实现如下几个功能：

1）定位功能，监护人可以通过手机发送定位命令信息，随时确定使用者具体位置；

2）追踪功能，在紧急情况下，GPS能自动开启，并给监护人发送位置信息；

3）拐杖倾倒自动报警功能，当使用者摔倒时，自动开启报警功能，以便使用者可以得到及时的帮助，同时向监护人发送位置求救信息。

3）紧急呼救报警功能，紧急情况下，按下求救键，报警功能开启，拐杖自动将位置求救信息发送给监护人。

本项目推广应用后，可以解决老年人、残疾人因各种原因在摔倒、迷路、身体突发不适等突发紧急状况，帮助监护人第一时间得到信息并迅速找到使用者，避免进一步的意外发生。随着社会的发展和生活水平的提高，关心和改善老年人、残疾人的生活质量是大势所趋，该项目有着广阔的应用前景，具有很好的经济意义和社会意义。

参考文献：

[1] 方仁杰，朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测量与控制，2010，19（5）：1154-1157.

[2] 王文兴，滕国库，胡丽霞，等.一种便携式定位机的设计开发[J].计算机与数字工程，2010，38（4）：167-169.

[3] 满家祥，刘尧，闫勇程，等. 基于ATmega16控制的新型多功能拐杖[J].电子设计工程，2013，21（19）：143-145.

[4] 赵敏，李锦明，马游春，等. 基于SRWF-1028的GPS定位数据传输系统的设计[J].核电子学与探测技术，2011，31（7）：807-810.