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(dòng)不便，但日常生活中仍有出行需求，如買(mǎi)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，對傳統行李箱進(jìn)行有針對性的改進(jìn)，設計一款專(zhuān)門(mén)為老年人服務(wù)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(chǎng)合下實(shí)現自動(dòng)跟隨，遇到障礙自動(dòng)避開(kāi)；在和主人距離較大時(shí)發(fā)出提示，避免跟丟；同時(shí)在老人疲累時(shí)，智能助手的上表面可以充當臨時(shí)座^[1-2]，供老人休息；老人需要幫助時(shí)可按下箱體上的求助按鈕，求助信號接收人可通過(guò)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 內核的STM32F103ZET6單片機^[3]。最高頻率72 MHz，內置高速存儲器，具有功能強大、響應快、低功耗、工作溫度區間寬等優(yōu)勢。由于有2 個(gè)基本定時(shí)器、3 個(gè)通用計時(shí)器及2 個(gè)高等定時(shí)器，且每個(gè)通用定時(shí)器都有4 個(gè)通道用于輸入捕獲或輸出比較；自帶編碼器模式；2 個(gè)高級定時(shí)器可實(shí)現死區控制和緊急剎車(chē)；因此廣泛應用于電機驅動(dòng)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(guò)外界有源線(xiàn)可在上電后幾秒內實(shí)現定位^[4]，并通過(guò)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。

報警系統可在單片機上連接蜂鳴器電路實(shí)現。蜂鳴器電路如圖2 所示，用NPN 三極管（S8050）驅動(dòng)，R33 主要用于防止蜂鳴器的誤發(fā)聲。

圖2 蜂鳴器電路

2.3 驅動(dòng)模塊

驅動(dòng)模塊由直流編碼電機及TB6612 電機驅動(dòng)組成^[5]。12 V 電源通過(guò)VM 向電機供電，5 V 電源通過(guò)VCC 電機驅動(dòng)芯片供電，同時(shí)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(gè)電機的轉向；PWMA、PWNB 分別控制A、B 電機的轉速。電機的AB 相連接單片機，以實(shí)現偏碼測速，如圖3 所示。

圖3 電機驅動(dòng)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(gè)超聲波傳感器實(shí)現，向超聲波模塊TRIG 引腳發(fā)送至少10 μs 的高電平信號，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器。模塊會(huì )自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40 kHz 的方波并自動(dòng)監測是否有返回信號。若有返回信號則ECHO 引腳會(huì )輸出一個(gè)高電平信號，此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，即可讀出時(shí)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測距離為0~500 cm。結合3 個(gè)位置的超聲波傳感器監測結果，可實(shí)現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(shí)現對老人的定位跟蹤。該模塊是一款基于UWB（超帶寬技術(shù)）[6]的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，可實(shí)現高精度無(wú)線(xiàn)定位及測距功能，支持多基站和多標簽。

圖4 SWM1000定位模塊

在智能助手內部安裝3 個(gè)基站，用戶(hù)攜帶一個(gè)標簽。該標簽可以從不同角度、距離獲得基站的位置信息?；緦@得的信息傳送給單片機，單片機控制驅動(dòng)模塊運動(dòng)。用戶(hù)在智能助手的右側，則右轉；用戶(hù)在智能助手的左側則左轉；用戶(hù)在智能助手的前方則直行。在該過(guò)程中接收超聲波避障的中斷請求。

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

2.6電源模塊

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

電池直接向TB6612 電機驅動(dòng)模塊供電，同時(shí)通過(guò)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 系統程序設計

打開(kāi)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(hù)充電后使用；若電量充足，電源指示燈呈綠色常亮狀態(tài)，系統開(kāi)始初始化，3 個(gè)基站與標簽自動(dòng)連接。隨后開(kāi)始跟隨用戶(hù)運動(dòng)。在跟隨運動(dòng)期間，如超聲波傳感器監測到前方有障礙物，優(yōu)先執行避障程序^[8]，避障成功后繼續自動(dòng)跟隨。如果用戶(hù)與智能助手距離超過(guò)6 m，則觸發(fā)報警系統。程序設計流程圖如圖5 所示。

3.2 自動(dòng)避障程序設計

當3 個(gè)方位的超聲波傳感器檢測距離均大于警戒值時(shí)，程序不進(jìn)入避障環(huán)節，由自動(dòng)跟隨模塊驅動(dòng)智能助手前進(jìn)。當至少1 個(gè)超聲波傳感器檢測的距離小于警戒值，則根據不同的情況作出不同的避障動(dòng)作及速度調整。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(yǔ)

該智能助手專(zhuān)為老年人設計，具有體型小巧、操作簡(jiǎn)單、功能實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。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(kāi)電源按鈕，智能助手即可自動(dòng)跟隨老人移動(dòng)，為老人的出行提供方便。如果老人走累了，可以隨時(shí)坐在平坦且堅硬的坐蓋上休息。如果老人需要幫助，或者身體突然出現狀況，可以通過(guò)按鈕一鍵求助，親屬可以根據智能助手上的GPS 定位找到老人，提供幫助。此外，箱體上還有2 個(gè)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(gè)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(huì )的認可，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻：

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[8] 劉芳,張田田,牛夢(mèng)豪.基于STM32的智能循跡避障小車(chē)[J].科技風(fēng),2019(19):18.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）