残疾人智能拐杖的设计与实现

残疾人智能拐杖的设计与实现

汪璐琰 董香丽指导老师

山东协和学院，山东省济南市250109 

摘要：本系统以STM32单片机为核心设计智能拐杖，通过光敏电阻检测环境光照强度变化，利用OLED液晶显示屏显示残疾人当前状态、经纬度、光照数值、灯光是否开闭。通过MPU6050陀螺仪判断残疾人是否跌倒，如果检测到残疾人跌倒，GSM模块自动发送短信给紧急联系人，紧急联系人通过手机APP可以看到残疾人的实时位置并进行导航。设置紧急求助按键，能够一键发送求助短信。通过GSM模块实现发送短信功能。通过NB-IOT模块可以进行定位，快速锁定残疾人位置。若检测到光照强度低于阈值时，自动开启LED照明灯。简单实用且便携，能够实现远程报警功能，很大程度解决了残疾人行走中的安全问题，具有广泛的实际应用价值。

关键词：智能拐杖；STM32单片机；MPU6050陀螺仪；GSM模块

一、研究背景

对于残疾人来说出行有着很大困难，除了自身身体因素之外，外界与心理因素也是同样重要。拐杖成了他们出行的必备工具，传统拐杖功能单一，无法监测到残疾人的身体状况以及进行报警功能。现阶段，数据的准确性和实时性越发被人重视，传统拐杖已逐步被淘汰，借助着先进的无线通信技术，可以及时发送报警信息，将检测效率提高的同时，也极大提升了数据的准确性。随着嵌入式系统技术的不断普及，其在多功能智能拐杖也扮演着重要的角色，使整体方案的成本更低，性能更稳定，功耗相对较低，多功能智能拐杖逐渐走入了寻常百姓家中，对残疾人的出行有很大帮助，帮助提升残疾人的生活品质，具有重要的社会意义。

二、功能需求分析

（1）检测残疾人摔倒功能。利用MPU6050陀螺仪来检测残疾人是否摔倒，若残疾人摔倒，蜂鸣报警器发起警报，从而引起周围人的注意，立即发送摔倒提示短信到紧急联系人的手机上，OLED液晶显示屏和手机APP显示残疾人状态为摔倒状态，地图定位残疾人当前位置，如果残疾人起身，蜂鸣器将停止报警。

（2）定位残疾人位置功能。NB-IOT模块可以进行残疾人实时的定位，可快速锁定残疾人当前位置。NB-IOT模块通过与单片机的串口通讯接口进行连接，单片机驱动NB-IOT模块将残疾人的定位数据传输至手机APP端。

（3）自动照明功能。利用光敏电阻检测环境的光照强度情况，若光线较弱时，即代表此时光照强度低于设定值50时，自动开启LED照明灯进行照明。

（4）一键求救功能。若残疾人有紧急情况可通过紧急求助按键一键发送求助短信到紧急联系人手机上，并且手机APP也会显示残疾人的实时位置，方便紧急联系人导航到残疾人身边。

（5）GSM通讯功能。利用GSM模块可发送求助信息，当检测到残疾人摔倒或残疾人按下紧急求救按键时，单片机驱动GSM模块下发短信至接收的手机号上，可方便提醒紧急联系人，迅速根据残疾人状态实施救助。

三、系统总体设计方案

本系统由电源模块、STM32单片机、蜂鸣报警器、MPU6050陀螺仪、OLED液晶显示屏、LED照明灯、NB-IOT模块、GSM模块、按键模块等构成。按下开关之后，OLED液晶显示屏会显示残疾人当前状态、光照值、当前位置经纬度。通过MPU6050陀螺仪测量的加速度数据来检测残疾人是否摔倒，若残疾人摔倒，蜂鸣报警器发起警报，从而引起周围人的注意，立即发送短信到紧急联系人的手机上，手机APP地图定位残疾人当前位置，如果残疾人起身，蜂鸣器将停止报警。若残疾人有紧急情况可通过紧急求助按键发送求助短信到紧急联系人手机上。若光线弱时，自动开启LED照明灯进行照明。NB-IOT模块可以进行残疾人实时的定位，可快速锁定残疾人当前位置。GSM模块可发送求助信息。

四、系统硬件设计

STM32F103C8T6作为一款优秀的单片机，其丰富的功能和高速的处理能力使其在各种应用中表现出色，可以实现高速AD采集，其中的PA以及PB可以作为12bit的AD采集通道。因此，可以免去A/D转换电路的设计，直接利用光敏电阻的光电特性来进行光照数据的采集，当射入光敏电阻的光线越强时，其阻值随之变小，将光照强度模拟量转变为电信号输入到STM32的ADC引脚PB0，启动A/D转换，换算出光照强度数值。采用MPU6050作为人体姿态检测模块，用来进行残疾人摔倒判断，MPU6050与单片机通过IIC通讯协议输出测量的加速度至单片机接收。MPU6050的SCL、SDA管脚分别输入至单片机的PB9、PB8管脚。当检测到残疾人摔倒时，GSM模块能够下发报警短信至用户绑定的手机上，达到即时通讯的目的。通过与单片机的串口通讯接口进行连接，使得单片机可以输出采集数据，具体地，BC20模块的发送（TX）引脚连接至主控芯片的PA2引脚，而BC20模块的接收（RX）引脚则连接至主控芯片的PA3引脚。采用0.96寸OLED液晶显示屏，用于实时显示残疾人当前状态、光照数值。当光线较低于设定值时，自动开启LED照明指示灯进行照明，LED灯模块的电路设计采用了电阻限流方式点亮LED，以确保LED工作在安全电流范围内。每个LED灯与一个电流限制电阻相连接确保LED正常工作。LED点亮采用了常见的数字信号控制，单片机通过向LED模块的输入引脚发送低电平或高电平信号，从而实现LED的点亮和熄灭。蜂鸣器的鸣叫声来进行声音方面的效果，可以选择有源蜂鸣器，这样就免去了设计电源电路的麻烦，同时考虑到单片机的引脚存在驱动力不足的情况，为了避免蜂鸣器声音过小，需要额外搭配三极管对驱动电流进行放大。单片机通过控制PC14输出低电平，达到三极管导通条件，启动鸣叫。

五、系统软件设计

在设计残疾人智能拐杖时，Keil软件和C语言技术起了关键作用。程序开头，通过定义库函数和对参数赋值，完成初始化设置，包含液晶、定时器、I2C和串口单元进行初始化。进入主函数，依次获取传感器输出的加速度、光照强度数据以及NB-IOT模块采集的GPS定位数据，然后通过显示函数将对应的内容进行逐一写入，然后刷新界面，等待下一轮的数据输入。然后执行NB-IOT通信程序，利用NB-IOT网络将采集端的定位数据逐一传入到APP端，并逐一呈现到可视化界面。程序调用if函数判断陀螺仪检测的加速度是否超过3000，若判断条件成立，则开启报警程序，蜂鸣器电路进行提醒，手机APP端残疾人状态会显示摔倒，GSM模块此时也发挥作用，将摔倒报警短信下发。当检测到光照强度低于阈值时，启动LED照明灯照明。完成判断环节，下一步进入按键扫描环节，判断紧急报警按键端的输入是否有低电平信号，若是则将残疾人定位数据发送至APP端，用于显示残疾人当前状态、光照数值、照明灯状态。

六、系统实现与测试

残疾人智能拐杖系统的实现与测试是一项复杂而关键的工程，旨在为使用者提供更安全、便捷的日常生活支持。在硬件设计阶段，选择轻量且耐用的材料（如铝合金或碳纤维），集成关键组件如加速度计、陀螺仪、距离传感器和GPS模块，确保系统稳定运行和长久使用。电池管理系统的设计则着重于续航能力和充电效率，以保证用户长时间的便利使用。在软件开发方面，拐杖系统依赖复杂的算法实现多功能，包括步态分析、障碍物检测和位置追踪。这些算法不仅需要高度准确性和实时性，还需通过直观的用户界面和音频提示，确保用户友好的交互体验。此外，紧急呼叫系统的集成也是关键设计要素，为使用者提供在紧急情况下快速响应和支持。在测试阶段，系统经历严格的功能性、耐久性和用户体验测试。功能性测试涵盖传感器精度、GPS定位准确性及障碍物检测功能可靠性；耐久性测试则考察系统在不同环境条件下的表现和稳定性；用户体验测试则通过真实使用情景和用户反馈，优化系统的易用性和舒适性。

参考文献

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