IV基于STM32F103C8T6單片機的一款多功能智能手杖系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u279931緒論 2112761.1選題的意義和目的 250521.2國內外研究現(xiàn)狀 317911.3系統(tǒng)功能 3115661.4章節(jié)安排 3322352方案設計 5144032.1總體設計思路 5246372.2硬件選型 533872.3超聲波測距原理 8229622.4GPS定位原理 8295502.5陀螺儀檢測摔倒原理 9318792.6無線通信原理 990303系統(tǒng)的硬件設計 11230643.1主控模塊STM32 1184173.2超聲波模塊 1214023.3語音模塊 13319413.4陀螺儀模塊 14306713.5GPS模塊 15131463.6通信模塊 17195674系統(tǒng)的軟件設計 18268794.1keil5開發(fā)環(huán)境 18151254.2主程序設計 18286594.3超聲波模塊軟件設計 19104134.4語音模塊軟件設計 21118874.5陀螺儀模塊軟件設計 22111424.6GPS模塊軟件設計 23283214.7通信模塊軟件設計 2515025系統(tǒng)測試 27121375.1GPS性能測試 27292365.2超聲波測距測試 2710255.3陀螺儀摔倒檢測 28140166總結 291緒論近幾十年來科技飛速發(fā)展各類產品層出不窮，由于老年人的消費較少其中與老年人相關的產品很少，而老年人在退休之后大多賦閑在家，時間充裕而無事可做，精神上可能會產生一些抑郁。老年人需要通過鍛煉和出行走動來緩解或是預防精神上的抑郁。由于年齡大了，不少老年人有一些疾病或是體能嚴重下降，導致出行安全存在一些隱患。一根手杖是最普通簡單和原始的輔助行走工具，然而普通的手杖只能有限的探測路面情況，不能有效的保障老人的出行安全。隨著近些年計算機技術、傳感器技術與自動化技術的發(fā)展越來越快，在生活的應用也越來越多，研發(fā)一款多功能的輔助老年人出行的手杖智能手杖是符合老年人的生活需求的課題。1.1選題的意義和目的根據聯(lián)合國的劃分標準當一個國家或地區(qū)65歲及以上老年人口數量占總人口比例超過7%時，則意味著這個國家或地區(qū)進入老齡化。據第七次人口普查統(tǒng)計中國65歲以上老人共有19064萬人，約占總人口的13.5%。與2010年第六次人口普查相比60歲以上人口比重上升5.44個百分比。據國務院發(fā)表的《國家人口發(fā)展規(guī)劃（2016-2030）》預測，到2030年我國60歲以上老年人占比將達到25%左右。并且隨著人們生活飲食和醫(yī)療的改善，我國人民的平均壽命在不斷延長，據國家衛(wèi)健委顯示2019年我國居民人均壽命達77.3歲，比2015年提高1歲。人口老齡化帶來了一系列有關老年人的問題，尤其是有關老年人的醫(yī)療與照護，這更將成為各國社會的重點關注課題。據研究調查顯示我國老年人的以散步為鍛煉方式的占59.1%，對部分腿腳不便或是體力不好的老年人來說，散步是他們最主要的鍛煉方式，因此設計一款輔助老年人出行的工具很有社會意義。近些年來，隨著我國居民的生活水平不斷提高，老年人的一些消費觀念有了很大改變。過去他們沒有消費能力或是不舍得消費，如今他們愿意花錢去買健康或是對生活有幫助的產品REF_Ref10540\w\h[1]。這種消費觀念的轉變使得老年人市場有了很大的提升。許多商家開始對老人市場進行市場調研，尋找優(yōu)質產品來滿足老人的需求REF_Ref10540\r\h[1]。多功能智能手杖的課題研發(fā)迎合了社會的需要。目前市場上手杖的類型和質量參差不齊，功能單一，不能充分滿足老年人的需求。很多老年人的手杖不太理想，一根合適的手杖對老年人的出行安全十分重要。根據老年人的需求和消費特點的情況，可以設計一款多功能智能手杖，滿足老年人的出行需求。本設計將以STM32C8T6為主控制芯片，利用超聲波測距原理對路面障礙進行探測分析并通過語音進行提示。通過MPU6050芯片測量手杖的歐拉角來檢測使用者是否摔倒。同時，手杖擁有GPS定位技術，可對使用者進行定位。1.2國內外研究現(xiàn)狀我國擁有世界上最大的老年市場，但與發(fā)到國家相比，老年產業(yè)還處于起步階段，老年人專用產品和服務開發(fā)不夠，智能手杖的研究也相對落后很多?，F(xiàn)有拐杖主要時傳統(tǒng)的一體式拐杖、拐杖倚和智能拐杖，一體式拐杖結構穩(wěn)定,可靠性強,其缺點是無法調節(jié)拐杖長度以適應不同使用者；拐杖倚主要由拐杖和座椅兩部分組成,對使用者的適應性強,便于老人閑坐歇息；然而,座椅的加入,增加了拐杖的質量,降低了整體的輕便性REF_Ref19907\w\h[2]。國外對智能手杖的研究有一段時間，也有一些類似的產品,但功能不齊全，價格較為昂貴。2013年7月索尼在上海舉辦的主題為“讓科技創(chuàng)意傳遞人文關愛”展覽會上，展示了一件特殊的作品，專為老年人設計的智能導航手杖REF_Ref10540\w\h[1]。該智能手杖比較特別的地方是具備投影功能，能夠將導航訊息投影到地上，此外還擁有身體數據監(jiān)測功能等，該智能手杖功能較多，但是造價十分昂貴，普及性不高。2018年國際非營利組織YoungGuruAcademy（YGA）為視障人士專門開發(fā)了一款極具創(chuàng)新性的產品——WeWALK智能手杖，該手杖的主要功能是用來探測障礙物，通過超聲波探測外界的障礙物，并通過震動來警告。該手杖還擁有配套的APP以及照明系統(tǒng)等，該手杖還通過不斷集成第三方應用程序來豐富功能，如語音助手和谷歌地圖等。該手杖對于視障人士以及老年人的出行有較大的幫助，但對于使用者的出行安全方面還有所欠缺。根據我國近些年來的市場調查結果顯示，我國老年人市場的主要產品為保健品以及各類的較為昂貴的營養(yǎng)品。老年人市場產品種類匱乏，并且各類的營養(yǎng)品、保健品等由于原材料價值較高，售價也很高，因此導致老年人對這類產品的購買欲望較低。國內外目前也已經開發(fā)了部分老年人專用產品，如助聽器、急救藥袋、經絡理療儀等。這些產品都是針對老年人來開發(fā)的，但功能較為單一，缺少定位功能，在老人發(fā)生意外后，在無法自救的情況下沒有太大的幫助，對老年人的安全保障性不高。針對市場上大部分老年人產品缺失的一部分功能特點，結合GPS定位技術、無線傳輸、傳感器技術等設計一款多功能智能手杖，在緊急情況下可以獲取老年人的位置，使老人可以及時得到救助。1.3系統(tǒng)功能本設計的主要功能是實現(xiàn)使用者對前方障礙物的檢測，并在障礙物的距離小于閾值20CM時進行播報，以及在外出時查看使用者的位置，能夠檢測使用者是否跌倒，以及跌倒后發(fā)送短信向預設號碼進行求救。1.4章節(jié)安排本次設計分為五個章節(jié)來完成。緒論，主要介紹選題背景和目的，國內外的研究現(xiàn)狀，本次設計的任務和要求等；系統(tǒng)模塊的原理，主要介紹本次設計所使用的傳感器的部分原理，通過對傳感器原理的了解，加深對本系統(tǒng)的了解；硬件模塊，全面的介紹主控芯片及設計中使用到的傳感器，介紹具體的設計與電路圖；軟件模塊，主要介紹在主控芯片和傳感器的運行過程；結論，對本次設計進行總結，對本設計的優(yōu)缺點進行分析。2方案設計系統(tǒng)的方案設計是系統(tǒng)設計和研制的第一個階段，也是最重要的階段之一。以下將對系統(tǒng)的硬件方面的選型以及在設計過程中運用到的主要技術原理進行介紹。2.1總體設計思路科技的迅速發(fā)展以及醫(yī)療條件的提升，我國人均壽命越來越長，人口老齡化趨勢必將更加嚴重。針對老年人的體力不便以及視力下降等問題，設計一款多功能智能手杖。本設計將通過超聲波進行障礙物探測實現(xiàn)避障；通過陀螺儀以自身為坐標軸測量歐拉角判斷手杖的狀態(tài)，以此來推測老人是否摔倒，增加使用者的出行安全性；通過GSM通信實現(xiàn)老人在摔倒后的求救；通過GPS定位來實現(xiàn)對使用者外出時位置信息的掌握以及在摔倒后能夠準確的知道使用者的位置。本設計將以STM32為主控芯片，通過主控芯片控制其余模塊功能的實現(xiàn)。其總體結構設計如下圖2.1所示圖2.1系統(tǒng)的總體結構設計2.2硬件選型系統(tǒng)的硬件選型在設計過程中也是非常重要的一環(huán)，這決定了設計研發(fā)出來的產品性能的優(yōu)劣以及功能的實現(xiàn)能否達到預期目標。本系統(tǒng)以“高性價比”為原則進行系統(tǒng)的選型，以下主要介紹主控芯片、超聲波模塊、GPS定位模塊、陀螺儀摔倒模塊、語音模塊和GSM通信模塊的選型。2.2.1主控模塊選型本設計的主控芯片為STM32F103C8T6。STM32是ST公司開發(fā)的32位微控制器，具有極高的性價比和簡單易用的庫開發(fā)方式，并且產品種類較多，體積小，功能十分齊全。STM32相較于其他的微控制器在多個方面具有明顯的優(yōu)勢。豐富的型號，STM32僅M3內核就擁有F100、F101、F102、F103、F105、F107、F207、F217等8個系列上百種型號；超多的外設，STM32擁有包括TIMER模塊、FSMC控制器、IIC接口、SPI接口、ADC模塊、DAC模塊、SDIO接口、RTC模塊等；在線調試功能，STM32支持Tumb-2指令，在C語音環(huán)境下能夠實現(xiàn)軟件的編譯、仿真以及調試。安全性高，STM32通過采取鎖定Flash引腳的措施，保證信息的完整性且不會被竊取或泄露。STM32F103C8T6是基于Cortex-M3內核的32位微控制器。其系統(tǒng)結構可分為由ARM公司設計的Cortex-M3內核和ST公司在此基礎上優(yōu)化的總線矩陣、DMA（DirectMemoryAccess，直接內存讀取）、AHB、APB1以及APB2上掛載的外設等兩個部分。Cortex-M3摒棄了馮·諾依曼結構（普林斯頓結構），采用了將指令存儲和數據存儲分開的的哈佛結構（HarvardArchitecture），這樣一來Cortex-M3同時擁有了獨立的32-bit指令總線和32-bit數據總線，數據訪問將不再占用指令總線，同時讀取指令和數據后提升了MCU運行速度。2.2.2超聲波模塊選型本設計的超聲波模塊使用的是HC-SR04。HC-SR04主要由兩個通用的壓電陶瓷傳感器和外圍的信號處理電路組成。兩個壓電陶瓷傳感器一個用于發(fā)送超聲波信號，另一個用于接收超聲波信號，但由于發(fā)送和接收的超聲波信號都比較微弱，所以增加一個外圍的信號放大器來提升信號的功率，使得接收的信號放大，以便于能更穩(wěn)定的將信號傳輸給主控芯片。HC-SR04能夠提供2厘米至400厘米之間的非接觸范圍測量，精度為3毫米。測量角度為15度。因此相較于其他的超聲波傳感器，HC-SR04有幾點優(yōu)勢：性能穩(wěn)定、模塊高精度、測度距離精確和盲區(qū)小等。2.2.3語音模塊本設計的語音模塊選用TTS-V5，TTS-V5是一個將漢字、英文字母、數字轉換成語音信號的文字轉語音模塊。與同類產品相比，有以下特點：文字支持率更好，支持簡體中文文字、中文生僻字、小寫英文字母、大寫英文字母、數字的朗讀；接口操作更簡單，5V單電源供電。TTL串口控制，可使用常用單片機、電腦USB轉串口等對本模塊進行控制。輸出直接接喇叭，可驅動4歐3W/8歐2W的喇叭。忙狀態(tài)輸出，可接單片機IO或指示燈，不用可懸空；語音效果優(yōu)化，語音輸出不再生硬、多個文字中間幾無頓挫感；模塊小型化易集成，模塊尺寸僅33*27.5mm，帶安裝孔。TTS-V5的工作電壓為4.5V-5.5V，工作電流為400mA，工作溫度在-40-85℃,默認波特率參數為9600。2.2.4陀螺儀模塊本設計的陀螺儀模塊選用MPU6050，MPU6050是全球首例集成六軸傳感器的運動處理組件，由一個三軸MEMS陀螺儀、一個三軸MEMS加速度計、一個數字運動處理引擎（DMP）以及用于第三方的數字傳感器接口的輔助IIC端口（常用于擴展磁力計）構成，能夠測量角速度和加速度，可以追蹤物體的快速與慢速動作。相較于之前的運動處理組件，MPU6050免除了組合陀螺儀和加速度軸間差的問題，減少了大量的封裝空間。2.2.5GPS模塊選型本設計的GPS模塊選用ATGM336H，ATGM336H-5N系列模塊是9.7X10.1尺寸的高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊系列的總稱。該系列模塊產品都是基于中科微第四代低功耗GNSSSOC單芯片—AT6558，支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括中國的BDS（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)），美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的GALILEO，日本的QZSS以及衛(wèi)星增強系統(tǒng)SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）REF_Ref14714\w\h[3],本設計選用的定位技術為GPS技術。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導航定位芯片，包含32個跟蹤通道，能夠在同一時間內接收六個導航定位的GNSS信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位、導航與授時REF_Ref14714\w\h[3]。ATGM336H-5N系列模塊全部支持輔助GNSS（AGNSS）功能。AGNSS能夠為接收機提供定位諸如電文，粗略位置和時間的輔助信息。無論是在強信號還是弱信號環(huán)境，這些信息可以在很大程度上的縮短首次定位所需的時間。ATGM336H-5N系列模塊支持精確秒脈沖輸出，脈沖上升沿與UTC時間對齊。ATGM336H-5N系列模塊通過UART作為主要輸出通道，按照NMEA0183的協(xié)議格式輸出。2.2.6GSM通信模塊選型本設計的通信模塊選用GA6-B，GA6-B是一個4頻的GSM/GPRS模塊，工作的頻段為：EGSM900MHz、GSM850MHz和DCS1800,PCS1900。GA6-B支持GPRSmulti-slotclass10/class8（可選）和GPRS編碼格式CS-1,CS-2,CS-3和CS-4，本設計選用GPRSmulti-slotclass10。GA6-B模塊在使用過程中的供電必須為5V。GA6-B的優(yōu)勢有以下幾點：廣域覆蓋：GPRS在全國34個省均有良好覆蓋，更是全球通行的2G通訊標準?；旧显谑謾C可以打電話的地方都可以通過GPRS無線上網；永遠在線：只要激活GPRS應用后，將一直保持在線，類似于無線專線網絡服務。按量計費：GPRS服務雖然保持一直在線，但不必擔心費用問題；因為只有產生通信流量時才計費。高速傳輸：目前GPRS可支持85.6Kbps的峰值傳輸速率，理論峰值傳輸可達100多Kbps。價格便宜：相對于SIM系列的模塊價格只有其的一半。2.3超聲波測距原理超聲波是一種頻率高、波長短的彈性機械振動波。它具有良好的方向性和較強的反射能力。很容易獲得集中的聲能。在水中的傳播距離比在空氣中的傳播距離長。它可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。此外，它具有很強的穿透能力，在液體和固體中傳播時衰減程度很弱。尤其是在對光不透明的固體中傳播時，其強大的穿透能力尤其顯著，可達數十米。遇到雜質或界面時有明顯的反射現(xiàn)象。超聲波測量儀利用這些特性來測量距離與物體位置的。超聲波的一種傳播特性是在兩種不同的介質之間傳播時，會產生反射、折射、透射、繞射和衍射現(xiàn)象。超聲波的測距原理就是通過這一傳播特性來實現(xiàn)的，在超聲波傳播過程中，超聲波遇到障礙物會被反射回來，反射回來的超聲波會被超聲波探頭接收并轉化為電信號，隨后由傳感器內部的電子裝置將電信號轉化為數字信號。超聲波在常溫下空氣中的傳播速度約為340m/s，通過采集超聲波發(fā)送至接收的時間t，可得超聲波探頭與障礙物之間的距離為S=340*t/2。2.4GPS定位原理全球定位系統(tǒng)(Global

PositioningSystem，GPS)是一種基于人造地球衛(wèi)星的高精度無線電導航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠獲取準確的地理位置、移動速度及精確的時間信息。GPS是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上開發(fā)的，汲取了子午儀系統(tǒng)的成功經驗。根據目前的方案，GPS的空間部分使用24顆衛(wèi)星，高度約為20200公里，形成一個衛(wèi)星星座。這24顆衛(wèi)星位于近圓形軌道上，運行周期約為11小時58分鐘，分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55度。如圖2.1所示。衛(wèi)星的分布使得在世界任何地方和任何時候都可以觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好的定位解算精度幾何圖形。這提供了實時的連續(xù)全局導航。GPS主要由三部分組成：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分。GPS定位的基本原理是以高速移動衛(wèi)星的瞬時位置為已知起始數據，利用空間距離后方交會法確定待測點的位置，計算經緯度。圖2.1GPS衛(wèi)星空間分布模擬2.5陀螺儀檢測摔倒原理陀螺儀傳感器的原理是一個旋轉的物體旋轉軸所指的方向在不受外力的情況下是不會改變的。通過該原理，使用多種方法讀取旋轉軸所指的方向，然后將數據信號傳輸給控制系統(tǒng)。加速度傳感器是一種可以測量加速度的傳感器。它通常由質量塊、阻尼減震器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過牛頓第二定律，對質量塊所受的慣性力進行測量，計算出加速度值。根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器有電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。陀螺儀的摔倒檢測原理是通過MPU6050來實現(xiàn)的。MPU6050是全球首個整合性六軸運動處理組件，相較于多組件方案，消除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。MPU6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。陀螺儀的姿態(tài)解算方法有多種，包括包括硬件方式的DMP解算，軟件方式的歐拉角與旋轉矩陣解算，軟件方式的軸角法與四元數解算。本設計采用軟件方式的歐拉角解算。通過解算可以得到歐拉角，通過設置當歐拉角達到一定角度時判定為摔倒。2.6無線通信原理無線通信是利用電波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。簡單來講無線通信就是僅通過電磁波而不通過線纜的通信方式。本設計采用了GSM通信。GSM是GlobalSystemforMobileCommunication的縮寫。意思是全球移動通信系統(tǒng)。GSM屬于第二代（2G）蜂窩移動通信技術。GSM是一個蜂窩網絡，也就是說移動電話要連接到它能搜索到的最近的蜂窩單元區(qū)域。GSM網絡運行在多個不同的無線電頻率上。GSM網絡一共有四種不同的蜂窩單元尺寸，分別為巨蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因環(huán)境而異。巨蜂窩可以看作是安裝在天線桿或建筑物頂部的基站天線。微蜂窩則是那些高度低于平均建筑高度的天線，一般用于市區(qū)內。微微蜂窩則是那種非常小的蜂窩只能覆蓋幾十米的范圍，主要用于室內等空間較小的地方。傘蜂窩則是用于覆蓋更小的蜂窩網的盲區(qū)，用于填補蜂窩之間的信號空白的區(qū)域。蜂窩半徑范圍則根據天線高度、增益和傳播條件等可以從百米以上至數十公里。實際使用的最長距離GSM規(guī)范支持到35公里。還有個擴展蜂窩的概念，蜂窩半徑可以增加一倍甚至更多REF_Ref14940\w\h[4]。GSM還支持室內覆蓋。通過功率分配器，室外天線的功率可以分配到室內天線分配系統(tǒng)。這是一個典型的配置方案，以滿足室內高密度呼叫的要求，這在商場和機場中非常常見。然而，這不是必要的，因為室內覆蓋也可以通過穿透建筑物的無線信號來實現(xiàn)，只是這樣能提高信號質量，減少干擾和回聲。3系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)的硬件設計是設計過程中的重要部分，硬件設計是否合理會直接影響到系統(tǒng)的性能，通過對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)合理設計電路系統(tǒng)，以下將對系統(tǒng)各個模塊的硬件設計進行描述。 3.1主控模塊STM32本設計以STM32F103C8T6為主控制核心芯片，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送、接收、處理等功能。STM32F103C8T6具有64K字節(jié)的閃存存儲器，共有2個12位的ADC控制器，7通道DMA控制器，3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲（輸出比較或PWM），2個IIC接口，3個USART接口，2個SPI接口，37個IO口，分為15個PA,15個PB，3個PC，兩個PD。STM32F103C8T6的正常供電電壓為3.3V，需要通過電源濾波電路之后為芯片供電。如圖3.1為STM32F103C8T6的最小系統(tǒng)原理圖。圖3.2為STM32F103C8T6的實物圖。圖3.1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖圖3.2STM32F103C8T6實物圖3.2超聲波模塊本設計采用HC-SR04模塊實現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收。HC-SR04主要由兩個通用的壓電陶瓷傳感器和外圍的信號處理電路構成。兩個壓電陶瓷傳感器一個用于發(fā)送超聲波信號，一個用于接收超聲波信號，由于發(fā)送和接收的超聲波信號都比較微弱，所以添加一個外圍的信號放大器來提升信號的功率，使得接收的信號放大，以便于能更穩(wěn)定的將信號傳輸給單片機。HC-SR04能夠提供2厘米至400厘米之間的非接觸范圍測量，精度為3毫米。HC-SR04的引腳分別為VCC、TRIG、ECHO和GND，VCC的工作電壓為5V，TRIG為控制端引腳，ECHO為接收端引腳與STM32F103C8T6的引腳接線為VCC-VCC、TRIG-PB1、ECHO-PB2、GND-GND，其實際接線圖如下圖3.3所示。要控制TRIG輸出電平，所以PB1引腳模式是推挽輸出GPIO_Mode_Out_PP，ECHO引腳要檢測高電平的持續(xù)時間，所以PB2引腳模式是浮空輸入GPIO_Mode_IN_FLOATING。HC-RS04的原理圖如下圖3.4：圖3.3超聲波實際接線圖圖3.4HC-SR04原理圖其實物圖如下圖3.5所示：圖3.5超聲波實物圖3.3語音模塊本設計的語音模塊采用TTS-V5語音模塊。語音模塊接收主控芯片發(fā)出的字符數據進行播報，因此需要通過RX引腳來接收字符數據。其管腳定義如下表3-1所示表3-1TTS-V5引腳表編號名稱類型功能說明1VDDS電源+5V2GNDS地

3RXI串口接收端TTL電平4TXO串口發(fā)送端TTL電平5BSO忙信號，不用可懸空

6SP+O揚聲器正極

7SP-O揚聲器負極

8RSTI外部復位，不用可懸空低電平復位通過串口一與XF5152CE芯片的RX連接，與主控芯片的管腳連接分別為：VDD-5V，GND-GND，RX-PB6。TTS-V5的原理圖如下圖3.6所示：圖3.6TTS-V5原理圖與主控芯片的連線圖如下圖3.7所示：圖3.7語音模塊接線圖3.4陀螺儀模塊本設計陀螺儀模塊采用MPU6050來實現(xiàn)摔倒檢測。MPU6050的電源供應十分靈活，電源電壓VDD供電范圍為2.375~3.46V。此外，提供了I2C接口的邏輯參考電平VLOGIC，它可以是1.8V±5%或VDD的電壓。MPU6050的三軸陀螺儀正常工作電流為3.6mA，待機電流低至5μA；三軸加速度計正常工作電流為500μA，低功耗模式下工作電流最低為10μA。通過片上的數字運動處理引擎DMP（digitalmotionprocessing）可減少復雜的融合運算負荷，支持3D運動處理和手勢識別算法。同時使能六軸傳感器以及DMP僅需3.9mA的工作電流。MPU6050通過以自身為坐標軸，采集數據，進行歐拉角計算來判斷自身的傾斜程度。MPU6050通過IIC接口與主控芯片進行連接，引腳的接線為PB10-SCL、PB11-SDA、VCC-3.3V、GND-GND。SCL和SDA分別為IIC的時鐘線和數據線，用于進行數據的通信。其原理圖如圖3.9所示，其實物圖如圖3.10所示。其實際接線圖如下圖3.11所示。圖3.9MPU6050原理圖圖3.10MPU6050實物圖圖3.11超聲波接線圖3.5GPS模塊本設計GPS定位模塊采用ATGM336H。ATGM336H的引腳主要為VCC、GND、TX、RX、PPS。主控芯片需要接收ATGM336傳輸的數據，所以通過串口三的PB11連接X接收定位數據。GPS模塊與主控芯片的引腳接線為VCC-3.3V、GND-GND、RX-PB11。其原理圖如圖3.12所示圖3.12ATGM336H原理圖本設計選用的是ATGM336H的無源天線方案，AT2659是具有高增益、低噪聲系數的低噪聲放大器芯片。其管腳圖如下圖3.13所示圖3.13ATGM336H管腳圖其實際連線如下圖3.14所示圖3.14GPS模塊接線圖3.6通信模塊本設計的通信模塊采用藍牙HC05。藍牙HC05是主從一體的藍牙串口模塊，簡單來講，當藍牙設備與藍牙設備配對連接成功后，可以忽視藍牙內部的通信協(xié)議，直接將藍牙當做串口用。當建立連接，兩設備共同使用一通道也就是同一個串口，一個設備發(fā)送數據到通道中，另外一個設備便可以接收通道中的數據。通過藍牙模塊可以在客戶端查詢使用者的位置。本設計還使用了GSM通信模塊，采用GA6-B。GSM通信用于檢測到使用者摔倒后的求救，在陀螺儀模塊檢測到摔倒后，向預設的手機號碼發(fā)送求救短信。通過串口二的PA2和PA3接收和發(fā)送數據。其原理圖如下圖3.15所示圖3.15GA6-B原理圖其實物圖如下圖3.16所示圖3.16GA6-B實物圖4系統(tǒng)的軟件設計本設計的軟件部分采用模塊化設計思想，通過STM32F103C8T6控制超聲波測距模塊、語音播報模塊、GPS定位模塊以及摔倒檢測模塊。本設計使用C語言進行軟件部分的編譯。4.1keil5開發(fā)環(huán)境Keil公司是一家業(yè)界領先的單片機（MCU）軟件開發(fā)系統(tǒng)的獨立供應商。曾經由兩家私人公司聯(lián)合運營，一家為德國慕尼黑的KeilElektronikGmbH，另一家則是美國德克薩斯的KeilSoftwareInc。Keil公司提供并銷售多類開發(fā)工具，其中有ANSIC編譯器、宏匯編程序、調試器、連接器、庫管理器、固件和實時操作系統(tǒng)核心（real-timekernel）。據統(tǒng)計，有超過10萬的單片機開發(fā)工程師認可這些開發(fā)工具，Keil官網沒有發(fā)布中文的軟件版本，但Keil系列軟件在中國有超過80%的軟硬件工程師使用。Keil公司在2005年被ARM公司收購合并，在2013年10月發(fā)布了Keil5，Keil5是一款非常友好和強大的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil5具有清晰直觀的操作界面，而且使用起來十分的輕松便捷，并具備編譯器、編譯器、安裝包和調試跟蹤，主要新增包管理器功能，支持LWIP，Keil5的SWD下載速度也是KEIL4的5倍，給用戶帶來了全新的感受和體驗。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(μVision)將這些部分組合在一起。4.2主程序設計通電后主程序循環(huán)執(zhí)行，系統(tǒng)初始化，定義初值，包括定時器的初值、語音提醒的閾值等，然后讀取按鍵信息，修改閾值。語音提醒的閾值設置為20CM，當20CM內存在障礙物時，語音模塊將發(fā)出警告“前方有障礙物”。通過串口進行數據的發(fā)送和接收，然后進行數據處理，得到GPS的定位信息以及陀螺儀的摔倒檢測。其程序流程圖如下圖4.1所示：圖4.1主程序流程圖4.3超聲波模塊軟件設計根據超聲波的測距原理，本設計需要使用到主控芯片的外設定時器。程序的運行需進行以下兩步。初始化，需要對超聲波的TRIG和ECHO引腳進行接口定義，還需對使用到的外設定時器TIME4進行初始化，對IO口進行使能。障礙檢測，通過給TRIG引腳一個高電平觸發(fā)測距，發(fā)送持續(xù)10us以上的方波信號來觸發(fā)測距，然后模塊內部會發(fā)送8個40kHz的周期電平并檢查是否有回波產生，其時序圖如下圖4.2所示。若有回波產生則讀取ECHO引腳檢查是否為高電平，若為高電平則觸發(fā)外部中斷開啟定時器TIME4，當ECHO引腳由高電平轉為低電平時關閉定時器，獲取定時器的計數值。通過超聲波測距的原理公式可以計算出障礙物與使用者的大致距離，由于單次測距可能會存在誤差，所以每次執(zhí)行都進行五次循環(huán)檢測，取平均值。其程序流程圖如下圖4.3所示：圖4.2超聲波時序圖圖4.3超聲波流程圖4.4語音模塊軟件設計本設計的語音播報的過程是通過串口一的PB6引腳接收單片機發(fā)送的字符數據進行播報。只有當超聲波模塊測得的距離小于閾值20CM時才會進行語音播報“前方有障礙物，請繞行”。本設計需將串口初始化，波特率設置為115200，然后對串口一的PB6引腳進行工作狀態(tài)指示輸出引腳初始化，低電平為Ready狀態(tài)，高電平為Busy狀態(tài)。通過HAL庫配置串口，對串口進行禁用調試，重新映射，清除數據以及重新使能。在播報過程中使用延時函數控制播報速度，其流程圖如下圖4.4所示圖4.4語音播報流程圖4.5陀螺儀模塊軟件設計MPU6050的數據接口采用IIC總線協(xié)議。所以需要對IIC接口即SCL和SDA進行初始化，然后對MPU6050進行復位使MPU6050內部所有寄存器恢復默認值，然后重新設置寄存器地址，使其能夠進入正常的工作狀態(tài)。還需對MPU6050內部的角速度傳感器和加速度傳感器進行滿量程范圍設置，都是通過配置寄存器來完成。還需配置中斷，設置AUXIIC接口，設置FIFO，設置陀螺儀采樣率，設置數字低通濾波器，分別通過不同的寄存器來完成，還需設置時鐘，使能陀螺儀傳感器和加速度傳感器。初始化完成后便可讀取MPU6050的數據。MPU6050的數據采集，需要先定義內部地址，采集到的數據會暫時儲存在寄存器內，通過訪問寄存器地址的方式讀取數據。陀螺儀采集的數據為四元數，需要根據四元數代數學與歐拉轉換矩陣將四元數解算得到姿態(tài)角REF_Ref3719\w\h[5]，其計算式如下圖4.5所示：圖4.5解算姿態(tài)角式中：φ1俯仰角，范圍為[π/2，π/2]；φ2橫滾角，范圍為[﹣π，π]；φ3偏航角，范圍[﹣π，π]；Q=[q1q2q3q4]為四元數REF_Ref3948\w\h[6]。其程序流程圖如下圖4.5所示圖4.5陀螺儀流程圖4.6GPS模塊軟件設計本設計選用的ATGM336H模塊接收到的數據遵循NMEA0183數據協(xié)議。該數據標準是由NMEA（NationalMarineElectronicsAssociation，美國國家海事電子協(xié)會）于1983年制定的。統(tǒng)一標準格式NMEA-0183輸出采用ASCII碼，其串行通信的參數為：波特率＝4800bps，數據位＝8bit，開始位=1bit，停止位＝1bit，無奇偶校驗。當ATGM336H模塊處于工作狀態(tài)中時，可以源源不斷的接收到定位信息數據，然后通過串口將數據傳輸給主控芯片，這些信息沒有經過解析，所以還需要按照協(xié)議格式，將所需信息提取出來。4.6.1NMEA0183數據格式解析ATGM336H模塊所接收到的數據包含六種類型的位置信息，這幾種信息的NMEA0183格式輸出語句如下表4-1所示表4-1NMEA0183格式輸出語句表命令類型說明GPRMC推薦最小定位信息GPGGAGPS定位信息GPGSV可見衛(wèi)星信息GPGLL地理定位信息GPGSA當前衛(wèi)星信息GPVTG地面速度信息發(fā)送次序為$GPGGA、$GPGLL、$GPVTG、$GPGSA、$GPGSV3、$GPRMC每條語句都是一組含有各種地理位置信息的字符串，字符串的開頭均為‘$’，緊接著是信息類型，然后是數據，之間用逗號隔開。其中$GPRMC的數據解析如下。$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13><1>?UTC（CoordinatedUniversalTime）時間，hhmmss（時分秒）格式；???<2>?定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位；???<3>?Latitude，緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前導位數不足則補0）；???<4>?緯度半球N（北半球）或S（南半球）；???<5>?Longitude，經度dddmm.mmmm（度分）格式（前導位數不足則補0）；???<6>?經度半球E（東經）或W（西經）；???<7>?地面速率（000.0~999.9節(jié)，Knot，前導位數不足則補0）；???<8>?地面航向（000.0~359.9度，以真北為參考基準，前導位數不足則補0）；<9>?UTC日期，ddmmyy（日月年）格式；???<10>?MagneticVariation，磁偏角（000.0~180.0度，前導位數不足則補0）；<11>?Declination，磁偏角方向，E（東）或W（西）；???<12>?ModeIndicator，模式指示（僅NMEA01833.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效）；???<13>?校驗和REF_Ref4446\w\h[7]。4.6.2定位信息的提取主控芯片通過串口三接收ATGM336H模塊傳來的定位信息，要得到準確的位置信息，至少需要同時接收到4顆衛(wèi)星的數據，因此，在某些情況下，接收到的定位數據不一定是有效的，在數據處理前需對數據進行判斷。需先對模塊和單片機進行初始化，配置波特率為9600，然后對串口三的PB11引腳進行工作狀態(tài)指示輸出引腳初始化，低電平為Ready狀態(tài)，高電平為Busy狀態(tài)。定義通訊所需要的變量，觸發(fā)串口中斷，調用中斷回調函數實現(xiàn)對數據的接收和發(fā)送。本設計將對$GPRMC語句進行解析。GPS定位流程圖如下圖4.6所示圖4.6GPS定位流程圖4.7通信模塊軟件設計本設計采用的GA6-B遵循MQTT協(xié)議。MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協(xié)議，該協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網