基于STM32和巴法云的多功能拐杖设计.pdf

叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期目前袁国内在智能拐杖方面取得的实质性成果较少遥当前专业生产智能拐杖的企业不多袁 市面上智能拐杖产品功能与质量也参差不齐遥通过对国外盲人智能拐杖市场进行调研发现袁国外部分国家的智能拐杖往往使用起来较为复杂袁 同时价格也超出了盲人群体可以接受的范围遥基于人口老龄化的严峻形势以及国内智能拐杖的巨大市场前景袁团队成员在传统导盲拐杖的功能上袁开发出更多智能化尧人性化的功能遥本设计涵盖了导盲拐杖功能尧信息检测功能和云拓展服务功能遥当老人群体使用智能拐杖过程中袁发生突发事件导致老人跌倒袁本设计的警报模式就会触发袁让老人及时得到旁人和家人的帮助遥 本设计可实现健康检测袁 利用非接触式MLX90614 测温模块可快速尧准确地获取使用者体温遥 本设计还具有云端控制和微信小程序控制功能袁 用户或者家人可在手机上使用微信小程序查看心率和体温数据遥 本文设计的智能拐杖具有智能化尧人性化的优点袁为老人的安全出行尧智慧出行提供有力的技术保障遥1系统总方案设计本系统以 STM32F103C8T6 为核心主控袁 配备 ESP8266-01S Wi-Fi 模块尧MLX90614 红外测温模块尧PulseSenor 心率检测模块尧MPU6050 陀螺仪模块尧蜂鸣器报警模块尧OLED 显示模块和供电模块遥系统的方框图如图 1 所示袁红外测温模块和心率检测模块分别获取人体的温度和心率并在 OLED 屏幕上显示曰MPU6050 模块检测跌倒角并判断是否超过设定阈值袁倾斜角超过阈值则开启报警曰ESP8266-01S 模块与 STM32 之间使用JSON 数据格式进行串口通信袁同时 ESP8266-01S 模块连接到巴法云服务器并将数据上传到巴法云服务器和微信小程序袁用户在巴法云服务器袁以及微信小程序上可以查看体温和心率的数据和变化曲线袁以及控制灯的开关遥 整个系统由供电模块提供电源遥图 1系统方框图2系统硬件设计与开发本系统硬件电路包括五大部分院主控芯片尧跌倒报警电路尧健康检测电路尧巴法云扩展服务电路尧供电模块遥基于 STM32 和巴法云的多功能拐杖设计鄢沈金聪杨飒梁可婷余锦明王雨淇渊广东第二师范学院袁广东 广州 510303冤Design of Multi-functional Crutches Based on STM32 and Bafa Cloud摘要院在人口老龄化日趋严重以及国家致力于提升人民幸福感和安全感的社会背景下袁设计了一款基于 STM32 和巴法云的多功能拐杖以解决老年人的安全出行问题袁 实现智慧出行遥 系统主要硬件电路由 STM32F103C8T6 主控芯片尧ESP8266-01S Wi-Fi 模块尧红外测温模块尧心率检测模块尧陀螺仪模块尧报警模块尧显示屏模块和供电模块构成袁具有心率和体温测量尧巴法云云端控制尧微信小程序控制尧OLED 屏幕显示心率和体温尧防跌倒报警等功能遥 系统选择格式规范尧简捷的新型物联网云平台要要要巴法云有效解决数据交互需求遥 使用 JSON 数据进行 STM32 与 ESP8266 的数据交互袁使系统运行更加高效和稳定遥 与当前市场产品相比袁具有智能化和网络化的特点袁心率检测和温度检测的测试准确率均在 98豫以上遥关键词院STM32曰巴法云曰微信小程序曰JSON数据曰多功能拐杖Abstract:A multi-functional crutch based on STM32 and Baffa Cloud is designed to solve the problem of safe travelfor the elderly and realize smart travel.The main hardware circuit of the system is composed of STM32F103C8T6 maincontrol chip,ESP8266-01S Wi-Fi module,infrared temperature measurement module,heart rate detection module,gyro鄄scope module,alarm module,display module and power supply module.It has the functions of heart rate and body tem鄄perature measurement,Baffa Cloud control,wechat mini program control,OLED screen display heart rate and body temper鄄ature,anti-fall alarm and so on.The system selects the standard format,simple and new Internet of Things cloud platform,Baffa Cloud to effectively solve the demand for data interaction.JSON data is used to exchange data between STM32 andESP8266,making the system run more efficiently and stably.Compared with the current market products,this work has thecharacteristics of intelligence and networking.The test accuracy of heart rate detection and temperature detection is morethan 98%.Keywords:STM32,Bafa Cloud,Wechat small program,JSON data,multi-purpose walking stick鄢2020 年广东省特色专业建设项目要要要电子信息工程曰2020 年广东省普通高校重点领域专项渊2020ZDZX2059冤曰2019 年广东第二师范学院应用型人才培养示范专业要要要电子信息工程专业渊2019sfzy02冤151基于 STM32 和巴法云的多功能拐杖设计2.1 主控芯片STM32F103C8T6 是由 ST 公司推出的基于 CORTEX-M3内核的 32 位单片机袁 具有 64 kB 的程序存储器尧12 bit ADC分辨率尧内置 10 个 ADC 通道袁满足本设计的红外测温模块和心率检测模块等数据的采集以及转换遥同时还有硬件 UART 和 IIC等接口袁可方便 ESP8266-01S 模块串口通讯尧OLED 屏幕显示以及 MPU6050 陀螺仪模块的检测遥2.2 跌倒报警电路跌倒报警电路由 MPU6050 陀螺仪传感器和蜂鸣器模块构成遥 MPU6050 是集成了陀螺仪和加速度的 6 轴运动处理传感器袁可以精确跟踪快速和慢速的运动袁具有精度高尧变化灵敏等优点袁满足本设计的需求遥 跌倒报警电路如图 圆 所示袁MPU6050陀螺仪传感器的 SDA 和 SCL 引脚与单片机的 PB5 和 PB6 引脚相连并进行 IIC 通讯袁获取 3 种偏转角遥 蜂鸣器驱动电路接单片机的PA3 引脚遥 当陀螺仪模块检测到的俯仰角 Pitch 大于 65毅时袁触发蜂鸣器鸣叫袁即 PA3 引脚进行正反电平翻转遥图 圆跌倒报警电路硬件原理图2.3 健康检测电路健康检测电路包括心率检测模块尧 红外体温检测模块和OLED 屏幕显示模块咱2暂遥 非接触式的 MLX90614 测温模块快速尧准确地获取使用者的体温遥 PulseSensor 心率传感器是光电容积式传感器中的一种袁具有结构简单尧无损伤尧精度高尧可重复等优点遥健康检测电路如图 猿 所示袁红外体温检测模块和 OLED 屏幕均采用 IIC 协议与单片机进行通讯袁二者的 SCL 和 SDA 引脚与单片机对应分别是 PB8尧PB9 和 PB13尧PB14遥 心率检测模块接单片机的 PA1 引脚遥 红外测温模块与心率检测模块分别检测到温度与心率等模拟信号后经过内部 ADC 转换成数字信号袁最后在 OLED 屏幕上显示遥图 猿健康检测电路硬件原理图2.4 巴法云扩展服务电路巴法云扩展服务电路包括 ESP8266-01S Wi-Fi 模块尧继电器模块以及上述的心率检测模块和红外测温模块咱3暂袁其电路如图 源 所示遥 ESP8266-01S 的 RX 和 TX 引脚分别与单片机的RX1 和 TX1 引脚交叉相连进行串口通讯传输数据遥 继电器接单片机的 PA5 引脚袁其常开端接灯泡袁单片机接收到 ESP8266 的指令后给 PA5 引脚一个低电平袁继电器通电袁常开端变闭合尧常闭端变常开袁灯泡点亮曰同时单片机接收到心率传感器和红外传感器的信号后袁通过串口通信向 ESP8266-01S 发送对应数据遥图 源巴法云扩展服务电路的主要电路硬件原理图2.5 供电模块本系统的总电源为 7.4 V 锂电池袁 搭配由 LM2596 芯片配合其他元件构成的电源电压适配模块袁 将 7.4 V 输入电压降压为 5 V 输出袁再经过下一级由 PW6566 芯片配合其他元件构成的电源电压适配模块袁将 5 V 电压最终转换为 3.3 V 输出袁以供给 STM32 单片机正常工作遥 其电路如图 缘 所示院图 缘供电模块硬件原理图3系统软件设计与开发3.1 跌倒报警功能软件设计与开发程序开始运行袁 启动 MPU6050 陀螺仪传感器并进行初始化袁MPU6050 获取俯仰角尧 偏航角尧 翻滚角 3 种角度并向STM32 发送俯仰角的值 Pitch袁STM32 接收到后对 Pitch 值进行判断袁若 Pitch逸65毅袁则开启蜂鸣器报警袁然后重新获取俯仰角曰若 Pitch65毅袁则重新获取俯仰角遥3.2 健康检测功能软件设计与开发程序开始执行袁 系统对 ADC尧OLED 等模块进行初始化袁PulseSenor 心率传感器与 MLX90614 红外测温传感器分别获取心率数据和体温数据袁 采取一次采集 3 遍心率值并将其用变量 conga 存储起来袁以保证心率值的准确性和稳定性袁温度值则直接赋值到变量 temp袁然后 OLED 屏幕上显示当前的心率值152叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期渊上接第 146 页冤参考文献咱1暂林玥希袁汪明峰袁马同翠.网上购物对实体零售的影响要要要基于上海南方商城商业中心的调查咱J暂.世界地理研究袁2020袁29渊3冤院568-578咱2暂耿庆阳.基于 Spring Boot 与 Vue 的电子商城设计与实现咱D暂.西安院西安石油大学袁2020咱3暂李天庆.基于 SSM 框架的电子商城项目的设计与实现咱D暂.济南院山东大学袁2019咱4暂刘彤月.基于 SSM 的分布式商城的设计与实现咱D暂.北京院中国地质大学渊北京冤袁2020咱5暂谢文彬.基于现场监控的实验仪器共享平台管理系统设计咱D暂.厦门院厦门大学袁2020咱6暂张楚琼.基于服务设计理论的高校智慧就业服务系统设计研究咱D暂.广州院华南理工大学袁2021咱7暂牛怀岗袁林关成.基于 SSM 框架的新闻发布管理系统设计与实现咱J暂.现代电子技术袁2020袁43渊21冤院127-131咱收稿日期院圆园圆猿-01-15暂和体温值遥3.3 巴法云扩展服务功能软件设计与开发传统的 ESP8266 与 STM32 通讯方式为 AT 指令形式遥STM32 与 ESP8266 进行串口通信袁STM32 以 AT 指令的形式向 ESP8266 发送数据遥虽然简单尧高效袁但是其时序受实际环境的影响非常大袁数据的传输的适应性较差遥本文采用 JSON 数据格式咱4暂遥 STM32 与 ESP8266 进行串口通信袁STM32 引入KEIL5的 jansson.h 库将要传输的数据封装成 JSON 格式袁 通过串口发送给 ESP8266曰ESP8266 引入 ARDUINO 的 ARDUINOJ鄄SON.h 库通过串口接收到 STM32 发送的数据袁并通过 deseri鄄alizeJSON 函数对所收到的 JSON 格式数据进行解析遥 JSON数据是一种轻量级的数据交换格式袁 同时也没有严格的时序要求袁能有效地提高网络传输效率遥在程序中袁单片机给变量 conga 和变量 temp 赋完值后袁就将心率值与体温值以 JSON 格式封装存储袁 由于单片机与ESP8266 进行串口通信袁 一方面单片机通过串口向 ESP8266发送 JSON 格式数据袁ESP8266 接收到后会将数据上传到巴法云服务器并实时更新袁然后再重新检测心率值与温度值曰另一方面袁单片机接收 ESP8266 发送过来的数据袁并判断 ledstate 的值是否为野on冶袁若为野on冶袁则开启继电器控制灯亮袁反之则灯灭遥4巴法云平台设计4.1 准备工作巴法云平台是开源尧轻量级尧数据规范尧支持多种形式的数据交互的新型物联网云平台袁能有效解决不同开发者的需求咱5暂遥 因此袁本系统使用巴法云平台搭建服务器袁其使用的步骤流程如图6 所示院图 6巴法云平台使用步骤流程图4.2 创建云设备主题依据上述步骤袁在获取私钥后袁本文创建了野LED002冶和野xin004冶两个主题对灯的状态尧心率和体温等有关数据进行订阅和推送遥 对于野LED002冶主题袁其消息为 on 和 off 分别对应灯的开和关曰对于野xin004冶主题袁其消息格式为院心率#体温#开关状态袁分别对应心率数据尧体温数据尧灯的开关状态袁其中野#冶号用于分隔不同传感器的数据遥 如图 苑 所示遥图 7 中野LED002冶主题消息为 off 代表关灯曰野xin004冶主题的消息数据为#80.00#26.47#off 表示心率为 80.00 次/分尧温度为26.47益尧灯为关闭状态遥4.3 微信小程序本文使用野微信开发者工具冶软件进行微信小程序的编程设计遥 在阅读巴法云的官方文档后袁接入其 API 即可上传数据遥 具体界面如图 愿 所示遥5结束语面对我国老龄化严峻的形势袁本系统的老人智能拐杖将为社会带来显著的效益遥 本系统设计了基于STM32 和巴法云的多功能拐杖袁以STM32F103C8T6单片机作为主控芯片遥利用红外测温模块尧心率检测模块可以获取人体温度和心率袁陀螺仪模块可以检测跌倒角度袁 当检测到人体倾斜角度超过设定值就可触发报警遥 使用 ESP8266Wi-Fi 模块尧STM32 模块的串口通信实现数据传输到巴法云云端以及微信小程序袁实现小程序查看数据以及控制功能遥 本系统能较好地实现多种的智能功能遥 经过性能测试袁 性能良好且稳定袁具有一定的推广和使用价值遥参考文献咱1暂胡杰成.我国人口老龄化现状尧趋势与建议咱J暂.中国经贸导刊袁2017渊12冤院59-62咱2暂刘春袁贺桂娇.智能拐杖系统的市场浅析 咱J暂.科技风袁2017渊12冤院14咱3暂景婷婷袁陆小左袁傅琳洁.老年人多功能智能拐杖的设计与实现咱J暂.电子产品世界袁2015袁22渊7冤院40-42咱4暂汤云叶袁苏晨.老年人拐杖的智能设计咱J暂.艺海袁2018渊6冤院107-108咱5暂卜立言袁王可卓.GOING-基于老龄化心理的运动拐杖设计咱J暂.上海纺织科技袁2022袁50渊3冤院81咱收稿日期院圆园圆猿原01-03暂图 苑在巴法云上搭建的服务器主题图 愿多功能拐杖的微信小程序主界面153