引 言

中國在 2000 年開始步入老齡化社會(huì)，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(huì)選擇拐杖輔助出行 [1]。同時(shí)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Ｓ捎谂囵B(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(duì)智能拐杖做了研究，仲小英 [3] 設(shè)計(jì)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(jì)的智能拐杖采用紅外避障，使用時(shí)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(jì)的智能拐杖增加了手機(jī) APP 功能和顯示屏，但對(duì)于不會(huì)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(jì)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(jì)定位明確，專為老年和盲人群體設(shè)計(jì)，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(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制、GPS 定位、語音識(shí)別、GSM 通信、障礙物報(bào)警、摔倒檢測、語音播報(bào)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(huì)語音提示報(bào)警 ；使用者不慎摔倒時(shí)，拐杖會(huì)發(fā)出警報(bào)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(dòng)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(bào)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(jì)

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(shí)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(gè) RF 天線和一個(gè)接收模塊，可實(shí)現(xiàn)求救短信的發(fā)送，監(jiān)護(hù)人可對(duì)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(dòng)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。

圖 2 監(jiān)護(hù)人手機(jī)短信

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(shí)便于監(jiān)護(hù)人及時(shí)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(dòng)時(shí)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(xiǎn)時(shí)，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(shí)間找到走失老人的位置 [9-10]。

2.4 語音識(shí)別模塊

該模塊由語音輸入、語音識(shí)別、無線傳輸?shù)炔糠纸M成。LD3320 芯片用于語音識(shí)別，能夠識(shí)別人發(fā)出的非特定語音， 語音信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)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(bào)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(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。這段時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)語音提示使用者。

3 軟件設(shè)計(jì)

多功能智能拐杖的軟件程序包括系統(tǒng)啟動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、障礙報(bào)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(jì)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(duì)老人和盲人日常出行不便等問題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多功能智能拐杖能夠?yàn)槔夏耆颂峁┬凶咧巍?shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)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(shí)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(gè)健康安全的晚年。同時(shí)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(jì)克服了傳統(tǒng)拐杖結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、無法實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)求救的弊端，可對(duì)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。