基于单片机的多功能智能拐杖设计

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。

图 2 监护人手机短信

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，使老年人拥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。