基于单片机的多功能智能拐杖设计

洪亭轩 薛玉利

摘 要：针对老年人记忆力减退、腿脚不便、 盲人视力导致生活不便等问题，文中设计了一款多功能智能拐杖，能够为老年人和盲人提供行走支撑、实时监控、及时求救、障碍物报警、告知使用者当前的方位和时间、紧急情况下向家人求助等功能。该拐杖符合老年人和盲人的生活需求，有助于安全出行，保障他们的人身安全。

关键词：智能拐杖;GSM通信;语音识别;GPS定位;单片机;安全出行

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

中国在2000年开始步入老龄化社会，目前已成为世界上老年人口最多的国家之一。老年人身体机能的衰退给出行带来极大不便，腿脚不便的老年人会选择拐杖辅助出行[1]。同时中国还是全世界盲人最多的国家之一。一般情况下，盲人的出行只能依靠拐杖或导盲犬。由于培养一只良好的导盲犬需要花费较长的精力和较高的成本，因此更多的人选择拐杖[2]。然而传统的拐杖只是一根长棍，结构简单、功能单一，存在一系列问题。

国内有不少人对智能拐杖做了研究，仲小英[3]设计的智能拐杖采用GSM通信和GPS定位技术，但没有考虑到老年人夜晚行走的情况，如果在光线不好的情况下，老人可能因为视力下降而被障碍物绊倒，从而发生意外。景婷婷[4]等人设计的智能拐杖采用红外避障，使用时极大地受到环境因素的限制。王玉花[5]和魏庆丽[6]等人设计的智能拐杖增加了手机APP功能和显示屏，但对于不会使用智能手机的老年人来说反而增加了使用难度。本文通过采用超声波测距设计并加入夜晚模式，能够更好地保护老年人或盲人的出行安全。本设计定位明确，专为老年和盲人群体设计，简化了拐杖结构，操作简单，方便实用。

1 系统的总体设计

整个系统主要由单片机控制、GPS定位、语音识别、GSM通信、障碍物报警、摔倒检测、语音播报和灯光警示等模块组成。系统上电后，拐杖开启智能模式，使用者在行走中，拐杖检测到前方障碍物，会语音提示报警;使用者不慎摔倒时，拐杖会发出警报声，引起周围行人注意并实施援救，若拐杖倾斜15 s，单片机将自动控制GSM通信模块，向监护人发出求救短信;当使用者预感到身体不适，可按下求救键，直接向监护人发送求救信息;若因操作不当，误发了求救短信，使用者还可按下误报键，向监护人发送安全信息，避免引起监护人不必要的担心;使用者可以语音控制家用电器的开关，实现了家用电器的智能控制。拐杖操作简单，功能实用，能够满足老人和盲人的生活需求[7]。系统的功能框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 单片机控制模块

该模块采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，它具有功耗低、抗干扰能力强等特点，指令代码完全兼容传统的8051单片机，速度最快可达传统8051单片机的12倍。该单片机运行稳定，可长时间在智能拐杖系统中工作，适合在拐杖这种便携式设备上使用[8]。

2.2 GSM通信模块

该模块包括一个RF天线和一个接收模块，可实现求救短信的发送，监护人可对使用者进行远程监护。该拐杖选用的是Air208模块，兼容SIM900A指令、尺寸小、省电，能够满足智能拐杖的通信要求。单片机与GSM模块之间的通信采用UART串行口通信，GSM模块直接受单片机的控制。当拐杖检测到使用者摔倒后，自动向监护人发送求救短信，监护人收到的手机短信如图2所示。

2.3 GPS定位模块

GPS定位主要实现使用者所在位置的准确定位，当使用者面临突发情况时便于监护人及时发现其位置，实施救援。该拐杖选用的是GT-U7模块，该模块启动时间短、功耗低、体积小，极高的追踪灵敏度扩大了定位的覆盖面积。当使用者摔倒或遇到危险时，其位置可通过GSM通信模块发送到监护人的手机上。在复杂的城市街道可实现高精度定位，方便监护人第一时间找到走失老人的位置[9-10]。

2.4 语音识别模块

该模块由语音输入、语音识别、无线传输等部分组成。LD3320芯片用于语音识别，能够识别人发出的非特定语音，语音信号经过处理转化为电平信号传送到单片机，经单片机处理后，来控制家用电器的开关，如语音控制电灯的开关，该模块的控制流程如图3所示。

2.5 障碍物报警模块

该模块使用超声波测距，利用发射器发射超声波，同时单片机开始计时，当超声波接收器接收到障碍物反射的回波后，单片机停止计时。这段时间为Δt，将空气中超声波的传播速度设为v，利用s=v×Δt，就能够计算出超声波模块发射点距障碍物的距离s。该模块可实时检测距前方障碍物的距离，当测量值小于程序中设定的安全距离时，系统会语音提示使用者。

3 软件设计

多功能智能拐杖的软件程序包括系统启动、参数设置、障碍报警、语音控制及状态检测等子程序。本系统的软件设计采用性能可靠的C语言编写，具体流程如图4所示。

4 结 语

针对老人和盲人日常出行不便等问题，本文设计实现的多功能智能拐杖能够为老年人提供行走支撑、实时监控、及时求救等功能，为盲人提供障碍物提醒、告知盲人当前的方位和时间、紧急情况下向家人求助等功能。符合老年人的需求，使老年人擁有一个健康安全的晚年。同时能够提醒盲人前方路况，帮助他们避开障碍物，告知他们所处位置，有助于盲人出行，降低事故发生的概率，保证他们的人身安全。本设计克服了传统拐杖结构简单、功能单一、无法实时监控、及时求救的弊端，可对老年人出现意外情况及盲人出行等问题提供一定的帮助。

参 考 文 献

[1]朱伟，万福成，杨土明.老年人拐杖的智能设计研究[J].长江大学学报（自科版），2014，11（22）：61-63.

[2]贾丹平，王岩，王阳，等.多功能盲人智能拐杖的设计[J].电子设计工程，2016，24（14）：136-138.

[3]仲小英.基于GPS和GSM的多功能智能拐杖设计[J].电脑知识与技术，2015，11（26）：144-146.

[4]景婷婷，陆小左，傅琳洁.老年人多功能智能拐杖的设计与实现[J].电子产品世界，2015，22（7）：40-42.

[5]王玉花，李璐，张长史.基于CC3200的GPS定位智能拐杖设计[J].仪器仪表用户，2017，24（2）：8-10.

[6]魏庆丽，许鹏，李军，等.基于MSP430的GPS定位智能拐杖设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2012，30（5）：445-449.

[7]魏爽.一种利用人工神经网络优化语言识别的方法[J].数字技术与应用，2017（10）：228：229.

[8]禹琳琳.语音识别技术及应用综述[J].现代电子技术，2013，36（13）：43-45.

[9]马志欣，王宏，李鑫.语音识别技术综述[J].昌吉学院院报，2006（3）：93-97.

[10]王文慧.基于ARM的嵌入式语音识别系统研究[D].天津：天津大学，2008.