智能避障拐杖控制系統(tǒng)的設計

南京科技職業(yè)學院 張 璐 蘇軍偉 葛先雷

珠海醋酸纖維有限公司 王 慧

智能避障拐杖控制系統(tǒng)的設計

南京科技職業(yè)學院 張 璐 蘇軍偉 葛先雷

珠海醋酸纖維有限公司 王 慧

本文設計以STC12C5A60S2為核心的避障拐杖控制系統(tǒng)，通過HC-SR04測量距離，通過ATK-NEO-6M GPS定位當前地點，當實測距離小于預設距離時，報警提示，同時STC12C5A60S2通過ATK-SIM900A給親屬手機發(fā)送短消息，從而真正實現(xiàn)保障老人出行安全以及和家屬保持聯(lián)系的目標。

STC12C5A60S2；GPS；SIM900A

引言

為保障老人出行安全，本文設計一款太陽能智能避障拐杖。老人在外拄著這種拐杖散步時，當有行人或車輛靠近時，拐杖能夠自動報警，提醒老人注意；同時，拐杖通過GSM把當前所在地點發(fā)送給家屬，方便家屬與老人間的聯(lián)系。

1 控制電路工作原理分析

智能避障拐杖的控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括超聲波模塊、GPS定位模塊、單片機模塊、GSM通信模塊、顯示模塊、報警模塊。超聲波模塊，用于測量周圍環(huán)境與拐杖之間的距離，并且將該距離信息傳遞給單片機模塊；GPS定位模塊，定位當前所處地點，并將該定位信息傳送給單片機模塊；單片機模塊，接收超聲波模塊的距離信息和GPS定位模塊的定位信息，若測得的距離信息小于單片機預設值，則單片機模塊發(fā)送定位信息給GSM通信模塊、顯示模塊和報警模塊；GSM通信模塊，接收單片機模塊定位信息，并將當前定位信息通過短消息發(fā)送；顯示模塊，接收單片機模塊定位信息，顯示當前地址；報警模塊，接收單片機模塊的信息，發(fā)出蜂鳴聲報警。將該控制系統(tǒng)嵌入在老人的拐杖中，老人拄拐在外散步時，當發(fā)生外部行人或車輛靠近老人時，系統(tǒng)會報警，同時有短消息發(fā)給家屬。

圖1 避障拐杖控制系統(tǒng)方框圖

2 電路原理圖

控制電路以STC12C5A60S2為核心，接收HC-SR04的距離信號，接收ATK-NEO-6M GPS的定位信息，當距離信號小于預設值時，STC12C5A60S2通過ATK-SIM900A給親屬手機發(fā)送短消息，同時LCD12864顯示當前距離，蜂鳴器報警。其中:

超聲波模塊采用HC-SR04模塊，該模塊采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給最少10us的高電平信號，同時自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，則外部車輛與老人距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。

定位模塊采用ATK-NEO-6M GPS模塊，該定位模塊采用UBLOX公司的NEO-6M模組，具有一個完整的衛(wèi)星定位接收設備，具備全方位功能，且兼容3.3V和5V單片機系統(tǒng)，自帶高性能無源陶瓷天線，支持熱啟動和溫啟動。該模塊的串口接收腳接單片機的TXD端口，模塊的串口發(fā)送接單片機的RXD端口。

GSM通信模塊采用ATK-SIM900A模塊，該通信模塊包含SIMCOM公司的工業(yè)級雙頻SIM900A 的GSM/GPRS模塊。具備工作頻段900/1800MHz雙頻，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信，不支持彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸；支持RS232串口和LVTTL串口，其通信接口兼容3.3/5V單片機系統(tǒng)。該模塊RX、TX信號與單片機P1.2和P1.3口連。用以發(fā)送短消息。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序流程

系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)模塊化，各功能模塊相對獨立，便于程序的編寫、調(diào)試及功能擴展。根據(jù)功能要求，包括以下程序模塊：初始化模塊，超聲波測距模塊、GPS模塊，GSM模塊。

避障拐杖控制系統(tǒng)的主程序是整個控制系統(tǒng)軟件的核心，為保證程序運行時效性，程序編寫采用以下方法：硬件定時器中斷和查詢相結(jié)合方法調(diào)用相關(guān)服務程序，控制脈沖輸出的中斷優(yōu)先級設置為最高，中斷服務程序代碼盡可能少。控制系統(tǒng)啟動后，首先刷新看門狗，執(zhí)行初始化程序，進入主循環(huán)后，查詢超聲波測距的結(jié)果，依據(jù)其結(jié)果調(diào)用相關(guān)的子程序，從而完成避障拐杖的各項功能。

3.2 GPS程序流程

本設計中GPS模塊程序流程是GPS初始化，將GPS獨有的GPRMC解讀為可識別的數(shù)據(jù)，將時間、日期、經(jīng)緯度等信息提取出來，將時間轉(zhuǎn)化為北京時間，再轉(zhuǎn)化為ASCII碼形式。

GPS模塊所接收的信號為NMEA 0183是美國國家海洋電子協(xié)會制定的標準格式。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼來傳遞GPS定位的信息。幀格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)。

3.3 GSM軟件流程

本設計中GSM模塊流程圖，如圖2所示。打開電源，采集GPS數(shù)據(jù)，檢測單片機信號，若收到單片機命令，則將所在位置發(fā)送到指定手機號碼中。

圖2 GSM流程圖

若需通過SIM900模塊實現(xiàn)向10086發(fā)送英文短信，短信內(nèi)容為YE，其調(diào)試步驟如下：

發(fā)送AT指令，將SIM900A模塊與電腦波特率同步；

發(fā)送AT+CSQ查詢信號強度指令，模塊返回數(shù)值需達到10以上；

發(fā)送AT+CPIN?查詢模塊是否檢測到手機卡指令，返回READY說明模塊檢測了手機卡，返回ERROR，說明模塊沒有檢測到手機卡；

發(fā)送AT+COPS？指令，查詢模塊是否注冊到網(wǎng)絡，CHINA MOBILE代表中國移動；

發(fā)送英文短信指令，AT+CSCS=“GSM”，AT+CMGF=1，AT+CMGS=“10086”，輸入短信內(nèi)容“YE”，發(fā)送十六進制1A，則可以將短信發(fā)送出去了。

結(jié)束語

本文成功研制了智能避障拐杖的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC-12C5A60S2為核心, 以GPS模塊NEO-6M實現(xiàn)拐杖定位，以超聲波模塊HC-SR04實現(xiàn)距離測量，與預設距離值比較，若小于預設值，則以GSM模塊SIM900模塊實現(xiàn)與家屬短信聯(lián)系，并將定位地點發(fā)給家屬。本系統(tǒng)保障了老人出行安全，且結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、性能良好、成本低，具有很好的實用性和推廣價值。

[1]劉平．STC15單片機實戰(zhàn)指南(C語言版)[M]．清華大學出版社,2014．

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[3]韓斌杰．GSM原理及其網(wǎng)絡優(yōu)化[M]．機械工業(yè)出版社,2010．

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