多功能智能拐杖系統設計

摘 要：多功能智能拐杖系統設計是基于STM32F103RCT6、STC89C51等主芯片控制的微型控制器，其具備相對完善且強大的數據處理與運算能力，而本項目主要使用黑線循跡模塊、超聲波模塊、紅外模塊、避障模塊、語音處理模塊、音頻輸入模塊、GSM通信模塊、姿態校正模塊等進行單片機相關功能的開發，主要實現的功能有：自動循跡路線功能、障礙物探測與避開功能、呼救功能、WiFi聯網功能、語音控制功能、拐杖姿態校正功能等。經驗證，系統性能穩定，具有較大的推廣價值。

關鍵詞：路線檢測與處理；語音控制；智能聯網；一鍵呼救；拐杖姿態校正；黑線循跡

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.037

0 引 言

隨著時代發展，自動化、智能化、便捷化成為了各類產品不斷發展、創新的目標。而基于中國老齡化時代的到來，老人的人數日益增長，靈活運用科技可以解決拐杖使用者的大部分問題。因此，對于多功能智能拐杖這一類基礎產品的開發與研究就顯得尤其重要[1]。

1 方案設計

多功能智能拐杖系統主要模塊由黑線循跡模塊、超聲波模塊、紅外模塊、避障模塊、語音處理與聯網模塊、GSM通信模塊、姿態校正模塊組成。功能主要分為5大類：自動巡線、避障及報警、語音控制及智能聯網、一鍵呼救、姿態校正。系統基本框架如圖1所示。

2 系統設計

本項目由各模塊、多傳感器搭配使用，每個模塊對應不同的功能[2-3]。

2.1 電源及穩壓模塊

本項目使用的電池是可充電的鋰離子電池18650，它是一塊直徑為18 mm，長度為65 mm的圓柱形標準鋰電池，具有重量輕、容量大、無記憶效應、價格低廉等優點，在一節電池使用過程中，放電的平臺電壓（即典型電壓）有3.7 V，而充滿電的情況下有4.2 V。18650可充電鋰電池的使用壽命長，在正常使用情況下，可使用1 000次以上[4]。

本項目需要由18650可充電鋰電池為STM32核心板、STC89C51核心板等供電，綜合項目情況，需要設置供電模塊。

2.2 黑線循跡及避障模塊

該模塊所使用的傳感器主要有超聲波傳感器與紅外探測器，如圖2所示。

在該模塊中，我們結合超聲波測距與紅外測距的優缺點，將兩者互補。超聲波測距的范圍可達3 m，但在距離障礙物2 cm內存在盲區，故我們加以紅外測距輔助。紅外探測的距離范圍比較小，范圍在5 cm以內。將這兩種傳感器結合，以提高項目循跡及避障的可靠性[5]。

對于所使用的紅外探測器，其透明探頭（藍色探頭）為紅外線發射器，而另外一個黑色探頭為紅外線接收器，在紅外探測器的尾部，有3個引腳，分別為OUT、GND、VCC。

避障原理：對是否有障礙物，根據OUT所傳遞的值是否為0進行判斷，在紅外發射器發射后，如果接收探頭未接收到紅外線，那么說明無障礙物，OUT引腳輸出0；如果紅外發射器發射后，接收探頭可以接收到紅外線，那么說明有障礙物，OUT引腳輸出0～5 V（不包括0 V）。距離障礙物的遠近會使紅外發射與接收的時間不同，導致OUT引腳輸出不同的電壓值。距離障礙物的距離越遠，接收探頭收到紅外線的時間就越長，接收到的反射光線就越微弱（傳播過程中會有衰減），從而OUT引腳輸出的電壓就越小。

電源可提供7.4 V電壓，我們通過穩壓電路將提供給黑線循跡及避障模塊的電壓控制在5 V，而在紅外探測器上有一個可調電阻，改變可調電阻的阻值，可以產生不同的電壓，將電壓與紅外探測器OUT引腳輸出的電壓相比較，從而決定在距離障礙物多遠處進行避障或者報警[6]。

黑線循跡的主要原理：通過3個紅外探測器檢測黑線，當檢測到黑線時，相應的引腳輸出高電平，可以通過分別在紅外探測器上加一個LED燈顯示，如果LED燈變亮，則表示相應的紅外探測器檢測出黑線。不同位置的紅外探測器上的LED亮，則表示小車處于黑線的不同位置。中間燈不亮，則表示小車目前位于黑線周圍，尚未大幅度偏移軌道，如

圖3所示；左邊燈不亮，則表示小車目前偏于黑線右方，需要向左邊偏移，如圖4所示；右邊燈不亮，則表示小車目前偏于黑線左方，需要向右邊偏移，如圖5所示。

2.3 GSM通信模塊

對于GSM模塊而言，這是SIMCOM公司研發的SIM800A GPS/GPRS模塊。使用SIM800A芯片，需插上一個SIM卡（電話卡）。SIM800A可通過串口傳輸標準的AT命令對模塊進行控制，進行簡單的數據通信[7-8]。

GSM通信模塊中主要引腳的相關功能見表1所列。

對于該GSM模塊進行測試，使用AT命令響應測試。AT命令響應測試是指由串口向模塊輸入一條簡單的控制指令，根據模塊的回應來檢測模塊是否正常。

插入手機卡（SIM卡），撥打電話。對其中一個手機號進行鎖定，設置一個按鍵，按下后，自動撥打相應的手機號，實現一鍵呼救。

2.4 語音處理及智能聯網模塊

在語音處理方面，使用安信可科技研發的ESP32-A1S音頻模塊。

ESP32-A1S模塊可以接入亞馬遜或百度語音識別服務，在開發時采用百度語音識別服務。結合STM32單片機，使用LD3320語音識別模塊加以輔助，音頻芯片負責音頻輸入，在模塊內部處理音頻信號。通過語音模塊識別語音控制I/O端口輸出，從而達到語音控制功能。

利用ESP32-A1S中的WiFi模塊實現智能聯網。通過語音處理模塊，使用者可以進行人機交互，咨詢信息。這一功能將大大提高本項目的智能化、便捷化水平，也可以為空巢老人提供聊天的伴侶，為殘疾人提供獲取外界信息的

渠道。

2.5 拐杖姿態校正模塊

對于這一模塊，我們使用STC89C52主芯片控制的51核心板，所使用的傳感器模塊有三軸加速度傳感器、步進電機。另外，如果需要顯示三軸傳感器的數據，可以外接一個LCD1602顯示屏。

模塊主要功能：拐杖傾倒后，可以檢測到該拐杖傾倒的方位，并自動將拐杖直立。

原理：利用三軸加速度傳感器采集的數據，根據改變的數值情況，判斷是向左傾倒還是向右傾倒，從而讓步進電機做出不同的反應，進行順時針或者逆時針轉動，在電機的作用下，自動將拐杖直立起來[9-10]。系統側視圖、俯視圖分別如

圖6、圖7所示。

3 結 語

本文對系統做了全面、詳細的介紹，利用傳感器實現黑線循跡、自動避障、一鍵呼救、語音控制、拐杖姿態校正等功能，分別講述了電源及穩壓模塊、黑線循跡及避障模塊、GSM通信模塊、語音處理及智能聯網模塊、拐杖姿態校正模塊的功能，并對相應功能的原理做了簡單介紹。經驗證，本系統運行穩定可靠。

參考文獻

[1]宣彩平，王皓，鄒國良.利用GSM無線模塊發送短消息[J].計算機應用，2004，24（5）：148-150.

[2]馬可，何人可，馬超民.基于語音交互的家用智能掃地機器人體驗設計研究[J].包裝工程，2020，41（18）：118-124.

[3]康婷，沈雷，周帥.具有防摔檢測預警的老人智能服裝設計研究

[J].毛紡科技，2021，49（4）：70-75.

[4]楊帆，雷迪.基于STM32設計的避障小車[J].制造業自動化，2021，43（3）：40-43.

[5]付蔚，唐鵬光，李倩.智能家居語音控制系統的設計[J].自動化儀表，2014，35（1）：46-50.

[6]王璟珣，滕召勝，高云鵬，等.嵌入式盲人手機語音識別與控制系統設計[J].計算機測量與控制，2009，17（10）：1951-1954.

[7]洪亭軒，薛玉利.基于單片機的多功能智能拐杖設計[J].物聯網技術，2019，9（3）：77-78.

[8]劉逸飛，孟詩惠，呂培華，等.一種多功能智能拐杖系統設計[J].中國科技信息，2022，34（6）：69-71.

[9]景婷婷，陸小左，傅琳潔.老年人多功能智能拐杖的設計與實現

[J].電子產品世界，2015，23（7）：40-42.

[10]林瑾，朱羽然，王冠.多功能智能拐杖設備的研究[J].電子設計工程，2021，29（18）：99-102.

收稿日期：2023-02-06 修回日期：2023-03-15

基金項目：合肥工業大學2021年國家級大學生創新創業訓練項目（202110359099）