随着社会老龄化进程的加快，老年人的安全出行引起大家的关注。以老年人常用的拐杖为载体，利用GPS定位技术、多传感器监测生命体征和无线通信技术等，对老人出行过程中容易发生的忘路、碰撞、摔倒等常见问题进行监测，并将信息实时远程传输到家人的手机小程序中，使家人及时发现危险后采取相应措施。这种智能拐杖可以实时监测出门在外的老人的状况，既可以扩展老人的活动范围，又可以减轻监护人的负担，具有一定的实用价值。
1．系统总体设计
系统总体设计如图1所示，该系统以单片机STM32F103为核心，配合监测体温和心率/血氧传感器，同时加入GPS卫星定位芯片，实时得到老人的主要生理指标和所处的位置和当时时间，利用wifi技术传输到监护人手机终端，以微信小程序的形式接收。同时，所得信息在拐杖的液晶显示屏显示，一旦出现异常数据，可发出声音报警，以引起周围人的注意给予关注。
图1 系统方案设计示意图
2硬件部分
2.1 体温传感器
采用红外非接触式测温模块GY-MCU90615V2，该模块尺寸小，适合拐杖的载体。供电电源为3-5V，电流为10mA，可以直接使用STM32F103开发板上的供电接口。串口输出数据，波特率可达到9600或者115200。发送输出指令给模块后，模块将连续输出温度数据；还可以查询输出，需要注意的是：查询频率低于10hz时，发送0xA5+0x15+0xBA给模块后，每发送一次，模块将返回一次温度数据，查询频率高于10hz时，要使用连续输出模式，即发送0xA5+0x45+0xEA指令。
2.2 心率/血氧传感器
传感器模块MAX30102集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件、以及带环境光抑制的低噪声电子线路，可有效排除外界和内部光干扰。通过手指接触传感器进行测量可进行心跳脉搏和血氧测量，心率测量范围是20-200次/分钟。供电电压为5V，可通过软件关断模块，待机电流接近为0，实现电源始终维持供电状态，适于室外监测。
2.3 GPS定位/WIFI传输模块
GPS定位模块采用ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块，模块核心采用S1216F8-BD模组。具有167个通道，追踪灵明度可达到-165dBm，测量输出频率达到20Hz。该模块分别通过Vcc、GND、TXD和RXD连接。结合采用ESP8266芯片组建Wi-Fi无线传输网络，将数据无线传输至手机终端。
3．软件设计
软件部分主要包括GPS定位、组建WIFI、开发微信小程序等部分。此外，为实现传送的数据中包含当时时间，还要启用芯片STM32F103自带的RCT功能。
3.1 GPS流程图
GPS模块首先需要进行初始化，通过设置定位信息更新速度为5Hz,判断GPS模块是否在位，然后初始化所用串口3的波特率和脉冲宽度，配置SkyTraF8-BD的更新速率。程序如下：
//GPS模块初始化
if(SkyTra_Cfg_Rate(5)!=0) //设置定位信息更新速度为5Hz.
{
LCD_ShowString(30,120,200,16,16,"S1216F8-BD Setting...");
do
{
USART2_Init(9600); //初始化串口3波特率为9600
SkyTra_Cfg_Prt(3); //重新设置模块的波特率为38400
USART2_Init(38400); //初始化串口3波特率为38400
key=SkyTra_Cfg_Tp(100000); //脉冲宽度为100ms
}while(SkyTra_Cfg_Rate(5)!=0&&key!=0);//配置SkyTraF8-BD的更新速率为5Hz
LCD_ShowString(30,120,200,16,16,"S1216F8-BD Set Done!!");
delay_ms(500);
LCD_Fill(30,120,30+200,120+16,WHITE);//清除显示
}
GPS接收数据部分程序如下：
//GPS模块接收数据
if(USART2_RX_STA&0X8000) //接收到一次数据了
{
rxlen=USART2_RX_STA&0X7FFF; //得到数据长度
for(i=0;i<rxlen;i++)USART1_TX_BUF[i]=USART2_RX_BUF[i];
USART2_RX_STA=0; //启动下一次接收
USART1_TX_BUF[i]=0; //自动添加结束符
GPS_Analysis(&gpsx,(u8*)USART1_TX_BUF);//分析字符串
Gps_Msg_Show(); //显示信息
if(upload)printf("\r\n%s\r\n",USART1_TX_BUF);//发送接收到的数据到串口1
}
3.2 微信小程序
在手机微信环境中，腾讯云提供了小程序在云端服务器的技术方案，由于无需安装即可使用，给广大用户带来极大便捷。在配备好相应开发环境后，通过注册获取APPID，即可下载开发工具进行新建。 本系统结合GPS定位技术，通过获取的数据可以查看出行老人的活动轨迹，并对其进行定位和跟踪，效果如图2所示。
图2 开发微信小程序界面效果图
3.3 RCT功能实现
STM32的RTC可看作是一个掉电后还继续运行的定时器，相对于通用定时器TIM外设，它只有计时功能。但它掉电后还能继续运行。借助RTC系统可以实现把采集数据时的时间一起记录并传输功能。RTC是单片机STM32内部的实时时钟系统，是一个独立的定时器。RTC芯片大多采用精度较高的晶体振荡器作为时钟源，可以为智能系统提供精准的实时时间。由于单独单片机不能同步网络时间，如果需要同步时间需要手动设置，如果可以同步到一个外部的时间点，那么单片机可以记录更方便。在HARDWARE中增加RTC相关文件，在main.c文件中增加RTC初始化和运行时时间的更新。
4．结论
本系统采用多个传感器对出行老人进行生理参数监测，使用ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块对其出行轨迹进行定位和跟踪，利用ESP8266芯片组建Wi-Fi无线传输网络实现无线远程通信，并和手机中的微信小程序开发的界面相关联，从而保证了出行老人和监护人之间可以实时联系。智能拐杖中的数据出现异常后可声音报警，提高了老人被救助的可能性。
参考文献
[1]郑灏,喻伟闯,钱楷,等.基于STM32单片机的多功能智能拐杖设计 [J].科技创新与应用.
2018,15:32-33
[2]蒋逸飞,武卢剑,朱国杰,等.基于单片机应用的智能拐杖设计[J].无线互联科技.
2018,14:67-68
[3]蒋逸飞,武卢剑,朱国杰,等.基于单片机应用的智能拐杖设计[J].吉林大学学报（信息科技版）.2012,30(5):445-449
本文资助项目：2022年北京市级大学生科学研究与创业行动计划(项目编号: B018)
作者：霍政宇（2002-），男，北京丰台，汉，本科生，就读于北京工商大学人工智能学院。
通信作者：李文（1971-），女，山东德州人，汉，博士，北京工商大学，副教授，研究方向为嵌入式与电子技术应用。
