基于單片機的老人出行智能助手的設計

0   引言

老年人身體素質(zhì)較差，行動不便，但日常生活中仍有出行需求，如買菜、購物等。

為了減輕老人出行的負擔，使行李的托運更加方便化、智能化，對傳統(tǒng)行李箱進行有針對性的改進，設計一款專門為老年人服務的小型智能助手。智能助手以單片機為控制核心，可以在人流密度相對較小的場合下實現(xiàn)自動跟隨，遇到障礙自動避開；在和主人距離較大時發(fā)出提示，避免跟丟；同時在老人疲累時，智能助手的上表面可以充當臨時座^[1-2]，供老人休息；老人需要幫助時可按下箱體上的求助按鈕，求助信號接收人可通過GPS 定位信息找到老人。

圖1 老人出行智能助手

2.1 主控模塊

主控采用Arm Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機^[3]。最高頻率72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有功能強大、響應快、低功耗、工作溫度區(qū)間寬等優(yōu)勢。由于有2 個基本定時器、3 個通用計時器及2 個高等定時器，且每個通用定時器都有4 個通道用于輸入捕獲或輸出比較；自帶編碼器模式；2 個高級定時器可實現(xiàn)死區(qū)控制和緊急剎車；因此廣泛應用于電機驅(qū)動和應用控制。

2.2 定位及報警模塊

采用ATK1218-BD GPS+ 北斗雙模擬定位模塊，定位精度可達2.5MCEP，捕獲追蹤靈敏度可達-165 dBm，通過外界有源線可在上電后幾秒內(nèi)實現(xiàn)定位^[4]，并通過串口將位置信息發(fā)送到單片機，再由單片機處理后再次發(fā)送。

報警系統(tǒng)可在單片機上連接蜂鳴器電路實現(xiàn)。蜂鳴器電路如圖2 所示，用NPN 三極管（S8050）驅(qū)動，R33 主要用于防止蜂鳴器的誤發(fā)聲。

圖2 蜂鳴器電路

2.3 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊由直流編碼電機及TB6612 電機驅(qū)動組成^[5]。12 V 電源通過VM 向電機供電，5 V 電源通過VCC 電機驅(qū)動芯片供電，同時STBY 端需高電平使其正常工作。AIN1、AIN2、BIN1、BIN2 分別連接至單片機的I/O 口，控制A、B 兩個電機的轉(zhuǎn)向；PWMA、PWNB 分別控制A、B 電機的轉(zhuǎn)速。電機的AB 相連接單片機，以實現(xiàn)偏碼測速，如圖3 所示。

圖3 電機驅(qū)動原理圖

2.4 避障模塊

避障功能主要由分別位于箱體前方左側、前方中部和前方右側的3 個超聲波傳感器實現(xiàn)，向超聲波模塊TRIG 引腳發(fā)送至少10 μs 的高電平信號，同時開啟定時器。模塊會自動發(fā)送8 個40 kHz 的方波并自動監(jiān)測是否有返回信號。若有返回信號則ECHO 引腳會輸出一個高電平信號，此時關閉定時器，即可讀出時間t。利用公式distance=V×t/2 (V=340 m/s) 可以求出障礙物與箱體的距離，該超聲波傳感器可監(jiān)測距離為0~500 cm。結合3 個位置的超聲波傳感器監(jiān)測結果，可實現(xiàn)智能助手的可靠避障。

2.5跟隨模塊

如圖4 所示，采用SWM1 000 定位模塊實現(xiàn)對老人的定位跟蹤。該模塊是一款基于UWB（超帶寬技術）[6]的無線收發(fā)模塊，可實現(xiàn)高精度無線定位及測距功能，支持多基站和多標簽。

圖4 SWM1000定位模塊

在智能助手內(nèi)部安裝3 個基站，用戶攜帶一個標簽。該標簽可以從不同角度、距離獲得基站的位置信息。基站將獲得的信息傳送給單片機，單片機控制驅(qū)動模塊運動。用戶在智能助手的右側，則右轉(zhuǎn)；用戶在智能助手的左側則左轉(zhuǎn)；用戶在智能助手的前方則直行。在該過程中接收超聲波避障的中斷請求。

同時，利用定位模塊的距離檢測功能實時判斷用戶與智能助手的距離，如果大于6 m 則觸發(fā)報警系統(tǒng)。

2.6電源模塊

采用12 V 鋰電池供電[7]，該鋰電池具有過流保護、過壓保護、短路保護、溫度保護等功能；最大輸出功率達3 000 W，可使智能助手連續(xù)運行1.5 h 以上。當電力不足時電源指示燈會由綠色變?yōu)榧t色。

電池直接向TB6612 電機驅(qū)動模塊供電，同時通過LM2596S 模塊降壓，為單片機及其他低壓模塊供電。

3   軟件設計

3.1 系統(tǒng)程序設計

打開總電源后，首先檢測電量是否充足，若電量不足，則電源指示燈呈紅色閃爍狀態(tài)，提示用戶充電后使用；若電量充足，電源指示燈呈綠色常亮狀態(tài)，系統(tǒng)開始初始化，3 個基站與標簽自動連接。隨后開始跟隨用戶運動。在跟隨運動期間，如超聲波傳感器監(jiān)測到前方有障礙物，優(yōu)先執(zhí)行避障程序^[8]，避障成功后繼續(xù)自動跟隨。如果用戶與智能助手距離超過6 m，則觸發(fā)報警系統(tǒng)。程序設計流程圖如圖5 所示。

3.2 自動避障程序設計

當3 個方位的超聲波傳感器檢測距離均大于警戒值時，程序不進入避障環(huán)節(jié)，由自動跟隨模塊驅(qū)動智能助手前進。當至少1 個超聲波傳感器檢測的距離小于警戒值，則根據(jù)不同的情況作出不同的避障動作及速度調(diào)整。避障部分的程序流程圖如圖6 所示。

圖6 避障部分的程序流程圖

4   結束語

該智能助手專為老年人設計，具有體型小巧、操作簡單、功能實用等優(yōu)點。老人出行前只需將要帶的東西放入智能助手的儲物間中，打開電源按鈕，智能助手即可自動跟隨老人移動，為老人的出行提供方便。如果老人走累了，可以隨時坐在平坦且堅硬的坐蓋上休息。如果老人需要幫助，或者身體突然出現(xiàn)狀況，可以通過按鈕一鍵求助，親屬可以根據(jù)智能助手上的GPS 定位找到老人，提供幫助。此外，箱體上還有2 個較大的上樓輔助輪，可以為老人上下樓省去很多力氣。這樣一個集便捷出行、安全防護等功能于一體的老人出行智能助手必將受到社會的認可，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1] 趙占西,黃明宇.作品造型設計材料與工藝[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.

[2] 陳關龍,包友霞,林忠欽,等.智能行李箱蓋板大變形區(qū)域的壓延筋結構研究[J].上海交通大學學報,1998(11):144-147.

[3] 吳國經(jīng).單片機應用技術[J].北京:中國電力出版社,2004.

[4] 沈磊賢,龐佳逸,張卿云,等.基于北斗導航的定位服務平臺設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展,2019(01): 173-177.

[5] 吳紅星.電機驅(qū)動與控制專用集成電路及應用[M].北京:中國電力出版社,2006.

[6] 吳微威,王衛(wèi)東,衛(wèi)國.基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡[J].中興通訊技術,2005,11(04):28-31.

[7] 賈英江,傅孝忠,王耀濟,等.鋰電池充電方法分析[J].科技資訊,2009(02):123-123.

[8] 劉芳,張?zhí)锾?牛夢豪.基于STM32的智能循跡避障小車[J].科技風,2019(19):18.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）