摘 要：多功能智能拐杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于STM32F103RCT6、STC89C51等主芯片控制的微型控制器，其具備相對(duì)完善且強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算能力，而本項(xiàng)目主要使用黑線(xiàn)循跡模塊、超聲波模塊、紅外模塊、避障模塊、語(yǔ)音處理模塊、音頻輸入模塊、GSM通信模塊、姿態(tài)校正模塊等進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)功能的開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：自動(dòng)循跡路線(xiàn)功能、障礙物探測(cè)與避開(kāi)功能、呼救功能、WiFi聯(lián)網(wǎng)功能、語(yǔ)音控制功能、拐杖姿態(tài)校正功能等。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有較大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：路線(xiàn)檢測(cè)與處理；語(yǔ)音控制；智能聯(lián)網(wǎng)；一鍵呼救；拐杖姿態(tài)校正；黑線(xiàn)循跡

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.037

0 引 言

隨著時(shí)代發(fā)展，自動(dòng)化、智能化、便捷化成為了各類(lèi)產(chǎn)品不斷發(fā)展、創(chuàng)新的目標(biāo)。而基于中國(guó)老齡化時(shí)代的到來(lái)，老人的人數(shù)日益增長(zhǎng)，靈活運(yùn)用科技可以解決拐杖使用者的大部分問(wèn)題。因此，對(duì)于多功能智能拐杖這一類(lèi)基礎(chǔ)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研究就顯得尤其重要[1]。

1 方案設(shè)計(jì)

多功能智能拐杖系統(tǒng)主要模塊由黑線(xiàn)循跡模塊、超聲波模塊、紅外模塊、避障模塊、語(yǔ)音處理與聯(lián)網(wǎng)模塊、GSM通信模塊、姿態(tài)校正模塊組成。功能主要分為5大類(lèi)：自動(dòng)巡線(xiàn)、避障及報(bào)警、語(yǔ)音控制及智能聯(lián)網(wǎng)、一鍵呼救、姿態(tài)校正。系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目由各模塊、多傳感器搭配使用，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)不同的功能[2-3]。

2.1 電源及穩(wěn)壓模塊

本項(xiàng)目使用的電池是可充電的鋰離子電池18650，它是一塊直徑為18 mm，長(zhǎng)度為65 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)鋰電池，具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在一節(jié)電池使用過(guò)程中，放電的平臺(tái)電壓（即典型電壓）有3.7 V，而充滿(mǎn)電的情況下有4.2 V。18650可充電鋰電池的使用壽命長(zhǎng)，在正常使用情況下，可使用1 000次以上[4]。

本項(xiàng)目需要由18650可充電鋰電池為STM32核心板、STC89C51核心板等供電，綜合項(xiàng)目情況，需要設(shè)置供電模塊。

2.2 黑線(xiàn)循跡及避障模塊

該模塊所使用的傳感器主要有超聲波傳感器與紅外探測(cè)器，如圖2所示。

在該模塊中，我們結(jié)合超聲波測(cè)距與紅外測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn)，將兩者互補(bǔ)。超聲波測(cè)距的范圍可達(dá)3 m，但在距離障礙物2 cm內(nèi)存在盲區(qū)，故我們加以紅外測(cè)距輔助。紅外探測(cè)的距離范圍比較小，范圍在5 cm以?xún)?nèi)。將這兩種傳感器結(jié)合，以提高項(xiàng)目循跡及避障的可靠性[5]。

對(duì)于所使用的紅外探測(cè)器，其透明探頭（藍(lán)色探頭）為紅外線(xiàn)發(fā)射器，而另外一個(gè)黑色探頭為紅外線(xiàn)接收器，在紅外探測(cè)器的尾部，有3個(gè)引腳，分別為OUT、GND、VCC。

避障原理：對(duì)是否有障礙物，根據(jù)OUT所傳遞的值是否為0進(jìn)行判斷，在紅外發(fā)射器發(fā)射后，如果接收探頭未接收到紅外線(xiàn)，那么說(shuō)明無(wú)障礙物，OUT引腳輸出0；如果紅外發(fā)射器發(fā)射后，接收探頭可以接收到紅外線(xiàn)，那么說(shuō)明有障礙物，OUT引腳輸出0～5 V（不包括0 V）。距離障礙物的遠(yuǎn)近會(huì)使紅外發(fā)射與接收的時(shí)間不同，導(dǎo)致OUT引腳輸出不同的電壓值。距離障礙物的距離越遠(yuǎn)，接收探頭收到紅外線(xiàn)的時(shí)間就越長(zhǎng)，接收到的反射光線(xiàn)就越微弱（傳播過(guò)程中會(huì)有衰減），從而OUT引腳輸出的電壓就越小。

電源可提供7.4 V電壓，我們通過(guò)穩(wěn)壓電路將提供給黑線(xiàn)循跡及避障模塊的電壓控制在5 V，而在紅外探測(cè)器上有一個(gè)可調(diào)電阻，改變可調(diào)電阻的阻值，可以產(chǎn)生不同的電壓，將電壓與紅外探測(cè)器OUT引腳輸出的電壓相比較，從而決定在距離障礙物多遠(yuǎn)處進(jìn)行避障或者報(bào)警[6]。

黑線(xiàn)循跡的主要原理：通過(guò)3個(gè)紅外探測(cè)器檢測(cè)黑線(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到黑線(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的引腳輸出高電平，可以通過(guò)分別在紅外探測(cè)器上加一個(gè)LED燈顯示，如果LED燈變亮，則表示相應(yīng)的紅外探測(cè)器檢測(cè)出黑線(xiàn)。不同位置的紅外探測(cè)器上的LED亮，則表示小車(chē)處于黑線(xiàn)的不同位置。中間燈不亮，則表示小車(chē)目前位于黑線(xiàn)周?chē)?，尚未大幅度偏移軌道，?/p>

圖3所示；左邊燈不亮，則表示小車(chē)目前偏于黑線(xiàn)右方，需要向左邊偏移，如圖4所示；右邊燈不亮，則表示小車(chē)目前偏于黑線(xiàn)左方，需要向右邊偏移，如圖5所示。

2.3 GSM通信模塊

對(duì)于GSM模塊而言，這是SIMCOM公司研發(fā)的SIM800A GPS/GPRS模塊。使用SIM800A芯片，需插上一個(gè)SIM卡（電話(huà)卡）。SIM800A可通過(guò)串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT命令對(duì)模塊進(jìn)行控制，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信[7-8]。

GSM通信模塊中主要引腳的相關(guān)功能見(jiàn)表1所列。

對(duì)于該GSM模塊進(jìn)行測(cè)試，使用AT命令響應(yīng)測(cè)試。AT命令響應(yīng)測(cè)試是指由串口向模塊輸入一條簡(jiǎn)單的控制指令，根據(jù)模塊的回應(yīng)來(lái)檢測(cè)模塊是否正常。

插入手機(jī)卡（SIM卡），撥打電話(huà)。對(duì)其中一個(gè)手機(jī)號(hào)進(jìn)行鎖定，設(shè)置一個(gè)按鍵，按下后，自動(dòng)撥打相應(yīng)的手機(jī)號(hào)，實(shí)現(xiàn)一鍵呼救。

2.4 語(yǔ)音處理及智能聯(lián)網(wǎng)模塊

在語(yǔ)音處理方面，使用安信可科技研發(fā)的ESP32-A1S音頻模塊。

ESP32-A1S模塊可以接入亞馬遜或百度語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)，在開(kāi)發(fā)時(shí)采用百度語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)。結(jié)合STM32單片機(jī)，使用LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊加以輔助，音頻芯片負(fù)責(zé)音頻輸入，在模塊內(nèi)部處理音頻信號(hào)。通過(guò)語(yǔ)音模塊識(shí)別語(yǔ)音控制I/O端口輸出，從而達(dá)到語(yǔ)音控制功能。

利用ESP32-A1S中的WiFi模塊實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)語(yǔ)音處理模塊，使用者可以進(jìn)行人機(jī)交互，咨詢(xún)信息。這一功能將大大提高本項(xiàng)目的智能化、便捷化水平，也可以為空巢老人提供聊天的伴侶，為殘疾人提供獲取外界信息的

渠道。

2.5 拐杖姿態(tài)校正模塊

對(duì)于這一模塊，我們使用STC89C52主芯片控制的51核心板，所使用的傳感器模塊有三軸加速度傳感器、步進(jìn)電機(jī)。另外，如果需要顯示三軸傳感器的數(shù)據(jù)，可以外接一個(gè)LCD1602顯示屏。

模塊主要功能：拐杖傾倒后，可以檢測(cè)到該拐杖傾倒的方位，并自動(dòng)將拐杖直立。

原理：利用三軸加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)改變的數(shù)值情況，判斷是向左傾倒還是向右傾倒，從而讓步進(jìn)電機(jī)做出不同的反應(yīng)，進(jìn)行順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)的作用下，自動(dòng)將拐杖直立起來(lái)[9-10]。系統(tǒng)側(cè)視圖、俯視圖分別如

圖6、圖7所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)系統(tǒng)做了全面、詳細(xì)的介紹，利用傳感器實(shí)現(xiàn)黑線(xiàn)循跡、自動(dòng)避障、一鍵呼救、語(yǔ)音控制、拐杖姿態(tài)校正等功能，分別講述了電源及穩(wěn)壓模塊、黑線(xiàn)循跡及避障模塊、GSM通信模塊、語(yǔ)音處理及智能聯(lián)網(wǎng)模塊、拐杖姿態(tài)校正模塊的功能，并對(duì)相應(yīng)功能的原理做了簡(jiǎn)單介紹。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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收稿日期：2023-02-06 修回日期：2023-03-15

基金項(xiàng)目：合肥工業(yè)大學(xué)2021年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202110359099）