洪亭軒 薛玉利

摘 要：針對老年人記憶力減退、腿腳不便、 盲人視力導(dǎo)致生活不便等問題，文中設(shè)計了一款多功能智能拐杖，能夠?yàn)槔夏耆撕兔と颂峁┬凶咧巍?shí)時監(jiān)控、及時求救、障礙物報警、告知使用者當(dāng)前的方位和時間、緊急情況下向家人求助等功能。該拐杖符合老年人和盲人的生活需求，有助于安全出行，保障他們的人身安全。

關(guān)鍵詞：智能拐杖;GSM通信;語音識別;GPS定位;單片機(jī);安全出行

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

中國在2000年開始步入老齡化社會，目前已成為世界上老年人口最多的國家之一。老年人身體機(jī)能的衰退給出行帶來極大不便，腿腳不便的老年人會選擇拐杖輔助出行[1]。同時中國還是全世界盲人最多的國家之一。一般情況下，盲人的出行只能依靠拐杖或?qū)と?。由于培養(yǎng)一只良好的導(dǎo)盲犬需要花費(fèi)較長的精力和較高的成本，因此更多的人選擇拐杖[2]。然而傳統(tǒng)的拐杖只是一根長棍，結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，存在一系列問題。

國內(nèi)有不少人對智能拐杖做了研究，仲小英[3]設(shè)計的智能拐杖采用GSM通信和GPS定位技術(shù)，但沒有考慮到老年人夜晚行走的情況，如果在光線不好的情況下，老人可能因?yàn)橐暳ο陆刀徽系K物絆倒，從而發(fā)生意外。景婷婷[4]等人設(shè)計的智能拐杖采用紅外避障，使用時極大地受到環(huán)境因素的限制。王玉花[5]和魏慶麗[6]等人設(shè)計的智能拐杖增加了手機(jī)APP功能和顯示屏，但對于不會使用智能手機(jī)的老年人來說反而增加了使用難度。本文通過采用超聲波測距設(shè)計并加入夜晚模式，能夠更好地保護(hù)老年人或盲人的出行安全。本設(shè)計定位明確，專為老年和盲人群體設(shè)計，簡化了拐杖結(jié)構(gòu)，操作簡單，方便實(shí)用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制、GPS定位、語音識別、GSM通信、障礙物報警、摔倒檢測、語音播報和燈光警示等模塊組成。系統(tǒng)上電后，拐杖開啟智能模式，使用者在行走中，拐杖檢測到前方障礙物，會語音提示報警;使用者不慎摔倒時，拐杖會發(fā)出警報聲，引起周圍行人注意并實(shí)施援救，若拐杖傾斜15 s，單片機(jī)將自動控制GSM通信模塊，向監(jiān)護(hù)人發(fā)出求救短信;當(dāng)使用者預(yù)感到身體不適，可按下求救鍵，直接向監(jiān)護(hù)人發(fā)送求救信息;若因操作不當(dāng)，誤發(fā)了求救短信，使用者還可按下誤報鍵，向監(jiān)護(hù)人發(fā)送安全信息，避免引起監(jiān)護(hù)人不必要的擔(dān)心;使用者可以語音控制家用電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了家用電器的智能控制。拐杖操作簡單，功能實(shí)用，能夠滿足老人和盲人的生活需求[7]。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制模塊

該模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，它具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，速度最快可達(dá)傳統(tǒng)8051單片機(jī)的12倍。該單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，可長時間在智能拐杖系統(tǒng)中工作，適合在拐杖這種便攜式設(shè)備上使用[8]。

2.2 GSM通信模塊

該模塊包括一個RF天線和一個接收模塊，可實(shí)現(xiàn)求救短信的發(fā)送，監(jiān)護(hù)人可對使用者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。該拐杖選用的是Air208模塊，兼容SIM900A指令、尺寸小、省電，能夠滿足智能拐杖的通信要求。單片機(jī)與GSM模塊之間的通信采用UART串行口通信，GSM模塊直接受單片機(jī)的控制。當(dāng)拐杖檢測到使用者摔倒后，自動向監(jiān)護(hù)人發(fā)送求救短信，監(jiān)護(hù)人收到的手機(jī)短信如圖2所示。

2.3 GPS定位模塊

GPS定位主要實(shí)現(xiàn)使用者所在位置的準(zhǔn)確定位，當(dāng)使用者面臨突發(fā)情況時便于監(jiān)護(hù)人及時發(fā)現(xiàn)其位置，實(shí)施救援。該拐杖選用的是GT-U7模塊，該模塊啟動時間短、功耗低、體積小，極高的追蹤靈敏度擴(kuò)大了定位的覆蓋面積。當(dāng)使用者摔倒或遇到危險時，其位置可通過GSM通信模塊發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上。在復(fù)雜的城市街道可實(shí)現(xiàn)高精度定位，方便監(jiān)護(hù)人第一時間找到走失老人的位置[9-10]。

2.4 語音識別模塊

該模塊由語音輸入、語音識別、無線傳輸?shù)炔糠纸M成。LD3320芯片用于語音識別，能夠識別人發(fā)出的非特定語音，語音信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為電平信號傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，來控制家用電器的開關(guān)，如語音控制電燈的開關(guān)，該模塊的控制流程如圖3所示。

2.5 障礙物報警模塊

該模塊使用超聲波測距，利用發(fā)射器發(fā)射超聲波，同時單片機(jī)開始計時，當(dāng)超聲波接收器接收到障礙物反射的回波后，單片機(jī)停止計時。這段時間為Δt，將空氣中超聲波的傳播速度設(shè)為v，利用s=v×Δt，就能夠計算出超聲波模塊發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。該模塊可實(shí)時檢測距前方障礙物的距離，當(dāng)測量值小于程序中設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)會語音提示使用者。

3 軟件設(shè)計

多功能智能拐杖的軟件程序包括系統(tǒng)啟動、參數(shù)設(shè)置、障礙報警、語音控制及狀態(tài)檢測等子程序。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用性能可靠的C語言編寫，具體流程如圖4所示。

4 結(jié) 語

針對老人和盲人日常出行不便等問題，本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)的多功能智能拐杖能夠?yàn)槔夏耆颂峁┬凶咧?、?shí)時監(jiān)控、及時求救等功能，為盲人提供障礙物提醒、告知盲人當(dāng)前的方位和時間、緊急情況下向家人求助等功能。符合老年人的需求，使老年人擁有一個健康安全的晚年。同時能夠提醒盲人前方路況，幫助他們避開障礙物，告知他們所處位置，有助于盲人出行，降低事故發(fā)生的概率，保證他們的人身安全。本設(shè)計克服了傳統(tǒng)拐杖結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、無法實(shí)時監(jiān)控、及時求救的弊端，可對老年人出現(xiàn)意外情況及盲人出行等問題提供一定的幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱偉，萬福成，楊土明.老年人拐杖的智能設(shè)計研究[J].長江大學(xué)學(xué)報（自科版），2014，11（22）：61-63.

[2]賈丹平，王巖，王陽，等.多功能盲人智能拐杖的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2016，24（14）：136-138.

[3]仲小英.基于GPS和GSM的多功能智能拐杖設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2015，11（26）：144-146.

[4]景婷婷，陸小左，傅琳潔.老年人多功能智能拐杖的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2015，22（7）：40-42.

[5]王玉花，李璐，張長史.基于CC3200的GPS定位智能拐杖設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2017，24（2）：8-10.

[6]魏慶麗，許鵬，李軍，等.基于MSP430的GPS定位智能拐杖設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2012，30（5）：445-449.

[7]魏爽.一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化語言識別的方法[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（10）：228：229.

[8]禹琳琳.語音識別技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（13）：43-45.

[9]馬志欣，王宏，李鑫.語音識別技術(shù)綜述[J].昌吉學(xué)院院報，2006（3）：93-97.

[10]王文慧.基于ARM的嵌入式語音識別系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.