基于STM32F103ZET6的关爱老人求助系统设计

刘琦 谭科华 李海平

【摘要】基于STM32F103ZET6的关爱老人求助系统设计主要用于老人“幸福小车”（即轮椅车）出行发生意外时的及时反馈呼救，通过蓝牙功能将STMF32F103ZET6系统与手机安卓APP联系，实现以STM32为核心的控制系统与手机安卓APP的协调控制，完成即时现场呼救、联系亲属、快速定位、主动报警以及驱动电机的功能。

【关键词】求助系统   蓝牙  安卓APP  STM32F103ZET6

一、引言

在科技发达的今天，随着老年人群体的数目增加，关于老年人的科技创新产品已经成为一个新兴的行业。从老年人生活需求的变化和社会技术变革的角度来看，老年人对于生活的安全舒适、方便快捷需求逐日增加。“幸福小车”（即轮椅车）作为行动不便的老年人是常用辅助出行装备，它极大的扩展了老年人活动范围，起到了很好的作用。本项目设计的是关爱老人“幸福小车”（轮椅车）的求助系统设计。

二、老人"幸福小车"求助系统的结构图

系统主要基于STM32F103ZET6芯片，该芯片拥有低功耗、高性能的特点，不仅控制底层电机，语音提示，蓝牙报送等功能，而且可以通过蓝牙直接接入手机，与手机APP蓝牙组网构建通信组，并且利用安卓系统组件，实现定位、周边呼救、联系预定亲属号码以及电话报警，拥有丰富的控制以及连接方式。通过按键手动开关，还可以对老人轮椅车底层硬件控制，进行老人轮椅车的运动路径控制。老人轮椅车求助系统硬件结构图如图1所示。

三、老人“幸福小车”求助系统的硬件设计

各部分硬件模块由主控芯片进行统一控制，其控制引脚已经由芯片引出，对应连接方式如图2所示。

（一）电源模块

该控制器采用3块18650锂电池串联（12V）供电如图3所示，选用LDO电源芯片电路提供5V直流电源，同时另外一块LDO电源芯片给主控提供稳定的3.3V电源，电源输入输出均采用电容滤波，减少电源噪声，保证芯片稳定工作。

（二）陀螺仪姿态检测电路

陀螺仪姿态检测电路如图4所示，姿态检测采用MPU6050六轴传感器模块。MPU6050角速度全格感测范围为+250、+500、 +1000 与+2000*/sec （dps），可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为+2g、+4g、+8g 与+16g。通过IIC通信协议对供电后的STM32F103ZET6主控对芯片进行数据读取。模块安装在小车重心较低位置，避免了因为轻微抖动而引起的测量误差。若发生小车倾斜、侧翻等事故，陀螺仪可以很快识别出姿态异常，将异常姿态发给主控芯片STM32F103ZET6，由主控芯片继续处理。

（三）LED指示灯

整个模块如图5所示，总共四个LED灯电路（1K电阻+LED灯），平时工作时四个LED分别指示系统工作状态。一旦老人发生意外，则四个LED以200ms为周期循环闪烁，以引起其他人的注意，增加老人发生意外时的获救可能。

（四）老人“幸福小车”蓝牙模块

老人“幸福小车”蓝牙模块系统如图6所示，系统选用HC-05蓝牙模块为系统提供蓝牙功能，使之与手机进行通信。由STM32F103ZET6主控芯片来控制蓝牙的发送与接收。HC-05蓝牙模式为从（ Slave）模式，此时模块处于自动连接工作模式时，将根据事先设定的方式连接的数据传输;若要对模块进行配置，当模块处于命令响应工作模式时能执行下述所有AT命令，芯片可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。

上电后，当老人“幸福小车”对蓝牙模块进行配置上电，此时手机APP连接蓝牙，则完成了老人“幸福小车”-蓝牙模块-手机APP的连接回路。当出现异常时，“幸福小车”会出现异常姿态，此时蓝牙模块则向手机发送异常出现消息，手机APP此时则通过电话，短信等组件对老人当前状态向外传递。将时间、GPS地址、出现何种状况以及小车的电机状态等情况，及时通知家属，实现了家属对老人的第一时间关怀。

图6蓝牙模块系统

（五）按键电路

按键电路如图7所示，采用短颈点触按键，预留4.3mm的按扭长度，预防误触，通过芯片内部上拉，低电平检测，通过软件滤掉按键产生的抖动波形，保证准确的监测到按键动作。

（六）语音播报模块电路

语音播报模块电路如图8所示，该设计采用JQ8400—TF 语音模块。该模块拥有24 位 DAC 输出内部采用 DSP 硬件解码，非 PWM 输出，动态范围支持 90dB，信比 85dB，多種控制模式、两线串口模式、一线串口控制，支持 30 级音量调节，以MP3格式存储在设计TF卡中，该模块支持所有比特率11172-3和ISO13813-3 layer3音频解码，模块的采样率支持8 kHz、11.025 kHz、12 kHz、16 kHz、22.05 kHz、24 kHz、32 kHz、44.1 kHz、48 kHz的频率采样，同时，模块还支持 Normal、Jazz、Classic、Pop、Rock 等音效。有了这些基础支持，再借助主控STM32F103ZET6芯片串口功能来控制，最终让音频文件完美重现。

模块采用5V供电，通过预留串口线与芯片通信，主控芯片利用串口向模块发送指令，模块根据指令执行播放相应的功能。模块外接8欧姆，2W发音器。声音大小可以控制，利用按键，可以对声音大小加以控制。同时，模块内部预置存储语音消息，相应操作对应相应语音，利用语音提示功能提供更加人性化的控制反馈方式，能够有效避免老人的误操作。

（七）电机驱动电路

电机驱动电路如图9所示，模块以A4950电机驱动芯片展开设计，芯片需要提供电源，参考电压该芯片，以及占空比PWM信号。AT4950作为直流电机驱动器，适用于打印机、电器工业设备以及其他小型机器。两个逻辑输入控制H桥驱动器，该驱动器由四个N-MOS组成，能够以高达3.6A的峰值电流双向控制电机。利用电流衰减模式，可通过对输入进行脉宽调制（PWM）来控制电机转速.如果将两个输入均置为低电平，则电机驱动器将进入低功耗休眠模式，适用于本系统所采用的电机。利用电容电阻基本元器件，电容可以消除芯片供电的电源杂波，提供更加可靠的电源。所选择的电机带有编码器模块，通过采集电机的实时转速，实现对电机的实时PID闭环电机速度控制，软件PID控制器可以帮助系统更为精确控制电机速度，有效解决了因为电机固有的机械误差带来的两侧电机运行转速不一致造成的行进轨迹偏移的问题。

四、软件设计

系统软件设计分为老人“幸福小车“控制设计和手机安卓APP软件设计。

（一）系统软件控制设计

设计借助强大的STM32F103ZET6的芯片，基于芯片的强大，使得设计能稳定的运行。

设计上语音播报模块的采用，结合自己提取生成的语音文件。先对STM32F103ZET6的串口进行初始化。配置串口，同时通过自己封装好的函数可以发送四字节，八字节等大小的数组。针对不同的指令，在代码区域，仍然封装了数十条指令数组，函数与数组配合，就可以很轻松的调用语音播出想要的功能。

设计上陀螺仪模块，MPU6050硬件DMP解算姿态，DMP输出的四元数是 q30 格式的，使用时先将其转化为浮点数，然后才解算出其欧拉角：俯仰角/横滚角/航向角。结算出来后，就可以利用这三个数据进行系统运动姿态监测。

（二）手机安卓APP软件设计

基于Android Studio强大快捷的编译环境。首先对APP界面进行布局，预留按键，显示窗口，软件信息展示等。layout布局完成 配置好menu界面，则分别对不同屏幕尺寸的手机做出适配，建立 mipmap-hdpi，mipmap-mhdpi，mipmap-xhdpi，mipmap-xxhdpi，mipmap-xxxhdpi各个不同大小的布局。手机安装后会自动适应其大小。

布局完成，则开始进行其功能的编写，添加蓝牙权限、电话权限、短信权限等，其权限如下：android.permission.BLUETOOTH

android.permission.BLUETOOTH_ADMIN

android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION

android.permission.RECEIVE_BOOT_COMPLETED

android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION

android.permission.SEND_SMS

android.permission.CALL_PHONE

android.permission.READ_PHONE_STATE

随后，在onCreate类下面添加控制代码，添加声明BluetoothAdapter，BluetoothSocket类，用于蓝牙的识别，蓝牙断开，蓝牙连接，蓝牙搜索，电话播出，短信联系功能等的控制。同时调用定时器处理线程hander，完成对循环任务的执行。

最终，APP将在一个集蓝牙、电话、短信功能于一体的环境下运行，并且通过蓝牙实现与系统的协调控制。

五、结论

论文中提到的“幸福小车”（轮椅车）只是作为该控制系统的缩影，已经实现其全部功能。但该控制系统不仅限于“幸福小车”（轮椅车）。对于各种型号大小的輪椅小车均可适用，能够对被控设备进行快速稳定控制，及时通知他人，大大的减少了老人出行的风险，提升老人生活幸福指数。

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