单片机+UWB，设计一款老人智能行李箱

摘要

本文介绍一种采用模块化设计，为老年人出行提供便利的智能助手。它包括主控模块、电源模块、驱动模块、避障模块、跟随模块、定位模块、报警模块等，能够实现适量载物、自主跟随、自动避障、超出连接范围警报、一键求助、充当移动座椅等功能。它可以有效解决老年人出行不便，拖拽行李困难，行李易丢失等问题。必要时可通过智能行助手发出求助信号。

关键词：老年,单片机,智能助手,自动驾驶,一键求助

作者：刘杰、林佳颖，天津科技大学电子信息与自动化学院

老年人身体素质较差，行动不便，但日常生活中仍有出行需求，如买菜、购物等。

为了减轻老人出行的负担，使行李的托运更加方便化、智能化，对传统行李箱进行有针对性的改进，设计一款专门为老年人服务的小型智能助手。

智能助手以单片机为控制核心，可以在人流密度相对较小的场合下实现自动跟随，遇到障碍自动避开；在和主人距离较大时发出提示，避免跟丢；同时在老人疲累时，智能助手的上表面可以充当临时座[1-2]，供老人休息；老人需要帮助时可按下箱体上的求助按钮，求助信号接收人可通过GPS 定位信息找到老人。

1 系统工作原理

通过箱体上的超声波模块对前进方向的障碍物信息进行检测并传回单片机，单片机通过控制直流电机的转速、转向控制智能助手的运动，实现避障；自动跟随则通过自动跟随模块实现；GPS模块用来实现定位和求助功能；电源模块为系统供电。再配合软件系统及其他部件实现老人智能助手的各项功能。智能助手示意图如图1所示。

图1 老人出行智能助手

2 硬件设计

老人智能助手采用模块化设计，包括主控模块、电源模块、驱动模块、避障模块、跟随模块、定位模块、报警模块等。

2.1 主控模块

主控采用Arm Cortex-M3内核的STM32F103ZET6单片机[3]。最高频率72MHz，内置高速存储器，具有功能强大、响应快、低功耗、工作温度区间宽等优势。由于有2个基本定时器、3个通用计时器及2个高等定时器，且每个通用定时器都有4个通道用于输入捕获或输出比较；自带编码器模式；2个高级定时器可实现死区控制和紧急刹车；因此广泛应用于电机驱动和应用控制。

2.2 定位及报警模块

采用ATK1218-BD GPS+北斗双模拟定位模块，定位精度可达2.5MCEP，捕获追踪灵敏度可达-165dBm，通过外界有源线可在上电后几秒内实现定位[4]，并通过串口将位置信息发送到单片机，再由单片机处理后再次发送。

报警系统可在单片机上连接蜂鸣器电路实现。蜂鸣器电路如图2所示，用NPN三极管（S8050）驱动，R33主要用于防止蜂鸣器的误发声。

图2 蜂鸣器电路

2.3 驱动模块

驱动模块由直流编码电机及TB6612电机驱动组成[5]。

12 V电源通过VM向电机供电，5 V电源通过VCC电机驱动芯片供电，同时STBY端需高电平使其正常工作。

AIN1、AIN2、BIN1、BIN2分别连接至单片机的I/O口，控制A、B两个电机的转向；PWMA、PWNB分别控制A、B电机的转速。电机的AB相连接单片机，以实现偏码测速，如图3所示。

图3 电机驱动原理图

2.4 避障模块

避障功能主要由分别位于箱体前方左侧、前方中部和前方右侧的3个超声波传感器实现，向超声波模块TRIG引脚发送至少10μs 的高电平信号，同时开启定时器。模块会自动发送8个40kHz 的方波并自动监测是否有返回信号。若有返回信号则ECHO引脚会输出一个高电平信号，此时关闭定时器，即可读出时间t。

利用公式distance=V×t/2 (V=340 m/s)

可以求出障碍物与箱体的距离，该超声波传感器可监测距离为0~500cm。

结合3个位置的超声波传感器监测结果，可实现智能助手的可靠避障。

2.5 跟随模块

如图4所示，采用SWM1000定位模块实现对老人的定位跟踪。该模块是一款基于UWB（超带宽技术）[6]的无线收发模块，可实现高精度无线定位及测距功能，支持多基站和多标签。

图4 SWM1000定位模块

在智能助手内部安装3个基站，用户携带一个标签。该标签可以从不同角度、距离获得基站的位置信息。基站将获得的信息传送给单片机，单片机控制驱动模块运动。用户在智能助手的右侧，则右转；用户在智能助手的左侧则左转；用户在智能助手的前方则直行。在该过程中接收超声波避障的中断请求。

同时，利用定位模块的距离检测功能实时判断用户与智能助手的距离，如果大于6 m则触发报警系统。

2.6 电源模块

采用12V 锂电池供电[7]，该锂电池具有过流保护、过压保护、短路保护、温度保护等功能；最大输出功率达3000W，可使智能助手连续运行1.5h以上。当电力不足时电源指示灯会由绿色变为红色。

电池直接向TB6612电机驱动模块供电，同时通过LM2596S模块降压，为单片机及其他低压模块供电。

3 软件设计

3.1 系统程序设计

打开总电源后，首先检测电量是否充足，若电量不足，则电源指示灯呈红色闪烁状态，提示用户充电后使用；若电量充足，电源指示灯呈绿色常亮状态，系统开始初始化，3个基站与标签自动连接。随后开始跟随用户运动。在跟随运动期间，如超声波传感器监测到前方有障碍物，优先执行避障程序[8]，避障成功后继续自动跟随。如果用户与智能助手距离超过6m，则触发报警系统。程序设计流程图如图5所示。

3.2 自动避障程序设计

当3个方位的超声波传感器检测距离均大于警戒值时，程序不进入避障环节，由自动跟随模块驱动智能助手前进。当至少1个超声波传感器检测的距离小于警戒值，则根据不同的情况作出不同的避障动作及速度调整。避障部分的程序流程图如图6所示。

图5 系统程序流程图

图6 避障部分的程序流程图

4 结束语

该智能助手专为老年人设计，具有体型小巧、操作简单、功能实用等优点。老人出行前只需将要带的东西放入智能助手的储物间中，打开电源按钮，智能助手即可自动跟随老人移动，为老人的出行提供方便。如果老人走累了，可以随时坐在平坦且坚硬的坐盖上休息。如果老人需要帮助，或者身体突然出现状况，可以通过按钮一键求助，亲属可以根据智能助手上的GPS 定位找到老人，提供帮助。此外，箱体上还有2 个较大的上楼辅助轮，可以为老人上下楼省去很多力气。这样一个集便捷出行、安全防护等功能于一体的老人出行智能助手必将受到社会的认可，具有广阔的市场前景。