基于单片机的老人出行智能助手的设计

0   引言

老年人身体素质较差，行动不便，但日常生活中仍有出行需求，如买菜、购物等。

为了减轻老人出行的负担，使行李的托运更加方便化、智能化，对传统行李箱进行有针对性的改进，设计一款专门为老年人服务的小型智能助手。智能助手以单片机为控制核心，可以在人流密度相对较小的场合下实现自动跟随，遇到障碍自动避开；在和主人距离较大时发出提示，避免跟丢；同时在老人疲累时，智能助手的上表面可以充当临时座^[1-2]，供老人休息；老人需要帮助时可按下箱体上的求助按钮，求助信号接收人可通过GPS 定位信息找到老人。

图1 老人出行智能助手

2.1 主控模块

主控采用Arm Cortex-M3 内核的STM32F103ZET6单片机^[3]。最高频率72 MHz，内置高速存储器，具有功能强大、响应快、低功耗、工作温度区间宽等优势。由于有2 个基本定时器、3 个通用计时器及2 个高等定时器，且每个通用定时器都有4 个通道用于输入捕获或输出比较；自带编码器模式；2 个高级定时器可实现死区控制和紧急刹车；因此广泛应用于电机驱动和应用控制。

2.2 定位及报警模块

采用ATK1218-BD GPS+ 北斗双模拟定位模块，定位精度可达2.5MCEP，捕获追踪灵敏度可达-165 dBm，通过外界有源线可在上电后几秒内实现定位^[4]，并通过串口将位置信息发送到单片机，再由单片机处理后再次发送。

报警系统可在单片机上连接蜂鸣器电路实现。蜂鸣器电路如图2 所示，用NPN 三极管（S8050）驱动，R33 主要用于防止蜂鸣器的误发声。

图2 蜂鸣器电路

2.3 驱动模块

驱动模块由直流编码电机及TB6612 电机驱动组成^[5]。12 V 电源通过VM 向电机供电，5 V 电源通过VCC 电机驱动芯片供电，同时STBY 端需高电平使其正常工作。AIN1、AIN2、BIN1、BIN2 分别连接至单片机的I/O 口，控制A、B 两个电机的转向；PWMA、PWNB 分别控制A、B 电机的转速。电机的AB 相连接单片机，以实现偏码测速，如图3 所示。

图3 电机驱动原理图

2.4 避障模块

避障功能主要由分别位于箱体前方左侧、前方中部和前方右侧的3 个超声波传感器实现，向超声波模块TRIG 引脚发送至少10 μs 的高电平信号，同时开启定时器。模块会自动发送8 个40 kHz 的方波并自动监测是否有返回信号。若有返回信号则ECHO 引脚会输出一个高电平信号，此时关闭定时器，即可读出时间t。利用公式distance=V×t/2 (V=340 m/s) 可以求出障碍物与箱体的距离，该超声波传感器可监测距离为0~500 cm。结合3 个位置的超声波传感器监测结果，可实现智能助手的可靠避障。

2.5跟随模块

如图4 所示，采用SWM1 000 定位模块实现对老人的定位跟踪。该模块是一款基于UWB（超带宽技术）[6]的无线收发模块，可实现高精度无线定位及测距功能，支持多基站和多标签。

图4 SWM1000定位模块

在智能助手内部安装3 个基站，用户携带一个标签。该标签可以从不同角度、距离获得基站的位置信息。基站将获得的信息传送给单片机，单片机控制驱动模块运动。用户在智能助手的右侧，则右转；用户在智能助手的左侧则左转；用户在智能助手的前方则直行。在该过程中接收超声波避障的中断请求。

同时，利用定位模块的距离检测功能实时判断用户与智能助手的距离，如果大于6 m 则触发报警系统。

2.6电源模块

采用12 V 锂电池供电[7]，该锂电池具有过流保护、过压保护、短路保护、温度保护等功能；最大输出功率达3 000 W，可使智能助手连续运行1.5 h 以上。当电力不足时电源指示灯会由绿色变为红色。

电池直接向TB6612 电机驱动模块供电，同时通过LM2596S 模块降压，为单片机及其他低压模块供电。

3   软件设计

3.1 系统程序设计

打开总电源后，首先检测电量是否充足，若电量不足，则电源指示灯呈红色闪烁状态，提示用户充电后使用；若电量充足，电源指示灯呈绿色常亮状态，系统开始初始化，3 个基站与标签自动连接。随后开始跟随用户运动。在跟随运动期间，如超声波传感器监测到前方有障碍物，优先执行避障程序^[8]，避障成功后继续自动跟随。如果用户与智能助手距离超过6 m，则触发报警系统。程序设计流程图如图5 所示。

3.2 自动避障程序设计

当3 个方位的超声波传感器检测距离均大于警戒值时，程序不进入避障环节，由自动跟随模块驱动智能助手前进。当至少1 个超声波传感器检测的距离小于警戒值，则根据不同的情况作出不同的避障动作及速度调整。避障部分的程序流程图如图6 所示。

图6 避障部分的程序流程图

4   结束语

该智能助手专为老年人设计，具有体型小巧、操作简单、功能实用等优点。老人出行前只需将要带的东西放入智能助手的储物间中，打开电源按钮，智能助手即可自动跟随老人移动，为老人的出行提供方便。如果老人走累了，可以随时坐在平坦且坚硬的坐盖上休息。如果老人需要帮助，或者身体突然出现状况，可以通过按钮一键求助，亲属可以根据智能助手上的GPS 定位找到老人，提供帮助。此外，箱体上还有2 个较大的上楼辅助轮，可以为老人上下楼省去很多力气。这样一个集便捷出行、安全防护等功能于一体的老人出行智能助手必将受到社会的认可，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1] 赵占西,黄明宇.作品造型设计材料与工艺[M].北京:机械工业出版社,2016.

[2] 陈关龙,包友霞,林忠钦,等.智能行李箱盖板大变形区域的压延筋结构研究[J].上海交通大学学报,1998(11):144-147.

[3] 吴国经.单片机应用技术[J].北京:中国电力出版社,2004.

[4] 沈磊贤,庞佳逸,张卿云,等.基于北斗导航的定位服务平台设计与实现[J].计算机技术与发展,2019(01): 173-177.

[5] 吴红星.电机驱动与控制专用集成电路及应用[M].北京:中国电力出版社,2006.

[6] 吴微威,王卫东,卫国.基于超宽带技术的无线传感器网络[J].中兴通讯技术,2005,11(04):28-31.

[7] 贾英江,傅孝忠,王耀济,等.锂电池充电方法分析[J].科技资讯,2009(02):123-123.

[8] 刘芳,张田田,牛梦豪.基于STM32的智能循迹避障小车[J].科技风,2019(19):18.

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2021年7月期）