基于單片機(jī)的老人出行智能助手的設(shè)計(jì)

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，如買菜、購物等。

為了減輕老人出行的負(fù)擔(dān)，使行李的托運(yùn)更加方便化、智能化，對(duì)傳統(tǒng)行李箱進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)，設(shè)計(jì)一款專門為老年人服務(wù)的小型智能助手。智能助手以單片機(jī)為控制核心，可以在人流密度相對(duì)較小的場(chǎng)合下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨，遇到障礙自動(dòng)避開；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(dāng)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(hào)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(jī)^[3]。最高頻率72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有功能強(qiáng)大、響應(yīng)快、低功耗、工作溫度區(qū)間寬等優(yōu)勢(shì)。由于有2 個(gè)基本定時(shí)器、3 個(gè)通用計(jì)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(jí)定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制和緊急剎車；因此廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制。

2.2 定位及報(bào)警模塊

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

報(bào)警系統(tǒng)可在單片機(jī)上連接蜂鳴器電路實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器電路如圖2 所示，用NPN 三極管（S8050）驅(qū)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(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊由直流編碼電機(jī)及TB6612 電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成^[5]。12 V 電源通過VM 向電機(jī)供電，5 V 電源通過VCC 電機(jī)驅(qū)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(jī)的I/O 口，控制A、B 兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向；PWMA、PWNB 分別控制A、B 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的AB 相連接單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)偏碼測(cè)速，如圖3 所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)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(cè)、前方中部和前方右側(cè)的3 個(gè)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)，向超聲波模塊TRIG 引腳發(fā)送至少10 μs 的高電平信號(hào)，同時(shí)開啟定時(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(jiān)測(cè)是否有返回信號(hào)。若有返回信號(hào)則ECHO 引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，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(jiān)測(cè)距離為0~500 cm。結(jié)合3 個(gè)位置的超聲波傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果，可實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)老人的定位跟蹤。該模塊是一款基于UWB（超帶寬技術(shù)）[6]的無線收發(fā)模塊，可實(shí)現(xiàn)高精度無線定位及測(cè)距功能，支持多基站和多標(biāo)簽。

圖4 SWM1000定位模塊

在智能助手內(nèi)部安裝3 個(gè)基站，用戶攜帶一個(gè)標(biāo)簽。該標(biāo)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(jī)，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)。用戶在智能助手的右側(cè)，則右轉(zhuǎn)；用戶在智能助手的左側(cè)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(qǐng)求。

同時(shí)，利用定位模塊的距離檢測(cè)功能實(shí)時(shí)判斷用戶與智能助手的距離，如果大于6 m 則觸發(fā)報(bào)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(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)等功能；最大輸出功率達(dá)3 000 W，可使智能助手連續(xù)運(yùn)行1.5 h 以上。當(dāng)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，同時(shí)通過LM2596S 模塊降壓，為單片機(jī)及其他低壓模塊供電。

3   軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

打開總電源后，首先檢測(cè)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(gè)基站與標(biāo)簽自動(dòng)連接。隨后開始跟隨用戶運(yùn)動(dòng)。在跟隨運(yùn)動(dòng)期間，如超聲波傳感器監(jiān)測(cè)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(dòng)跟隨。如果用戶與智能助手距離超過6 m，則觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

3.2 自動(dòng)避障程序設(shè)計(jì)

當(dāng)3 個(gè)方位的超聲波傳感器檢測(cè)距離均大于警戒值時(shí)，程序不進(jìn)入避障環(huán)節(jié)，由自動(dòng)跟隨模塊驅(qū)動(dòng)智能助手前進(jìn)。當(dāng)至少1 個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)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(dòng)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(jié)束語

該智能助手專為老年人設(shè)計(jì)，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(chǔ)物間中，打開電源按鈕，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(jiān)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(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(hù)等功能于一體的老人出行智能助手必將受到社會(huì)的認(rèn)可，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）