本文题为“基于机智云平台的智能拐杖系统”，作者为李明悦、罗俊、林东平，所属机构为四川工业科技学院。该研究发表于《数字技术与应用》期刊2025年第12期。这是一篇研究报告，详细阐述了一项针对老年人智能看护设备的原创性研发工作。
学术背景与目标
该研究的科学领域主要横跨嵌入式系统、物联网（Internet of Things, IoT）技术和老年健康辅助设备。随着社会老龄化加剧，如何保障老年人，特别是独居或出行老人的安全与健康，成为一个紧迫的社会问题。传统的拐杖功能单一，智能化程度低，无法满足现代养老中实时监测、紧急响应和远程看护的需求。在此背景下，发展“物联网+养老”的智慧养老服务模式成为重要趋势。本研究正是在这一背景下展开，旨在解决传统拐杖功能性弱、智能化不足的问题。其核心目标在于设计并实现一种集成了多种传感器技术和云平台服务的智能拐杖系统，以提升老年人的独立生活能力和安全保障水平。研究的具体目标是开发一个能够实现实时定位、防摔倒检测、障碍物预警、紧急短信报警、状态信息显示以及云端数据监测等多功能于一体的综合性智能辅助设备。
研究方法与详细工作流程
本研究是一个典型的嵌入式系统设计与开发项目，主要包含系统总体设计、硬件设计、软件设计和系统实现与测试四个主要阶段。研究对象并非生物样本或人群，而是由各种电子模块组成的硬件系统本身及其软件程序。研究的核心“样本”即所设计和搭建的智能拐杖原型机。
首先，在系统总体设计阶段，研究者明确了系统的功能架构。系统以STM32单片机作为中央处理单元（主控芯片），需要整合GPS定位模块、MPU6050姿态检测（防摔倒）模块、HC-SR04超声波（障碍物检测）模块、SIM900A短信报警模块、JQ8900语音提示模块、OLED液晶显示模块以及ESP8266 Wi-Fi联网模块。所有模块的数据采集与控制均由STM32主控芯片协调，并通过Wi-Fi模块与基于“机智云”平台的手机应用程序进行数据通信，形成一个完整的“端-云-端”物联网系统。
其次，在硬件设计阶段，研究详细进行了各个功能模块的选型、电路设计和与主控芯片的连接。这是本研究工作量最大、描述最详尽的部分。研究并未采用现成的集成设备，而是进行了从芯片选型到电路原理设计的完整硬件开发。
- 主控芯片选型：经过对比市面上常见的嵌入式芯片（如8/16位单片机、RISC-V架构芯片、DSP等），研究基于成本与功耗的综合考量，选择了意法半导体的STM32F103C8T6型号作为主控。这是一款32位ARM Cortex-M3内核的微控制器，具有72MHz主频、256KB程序存储器和48KB数据存储器，性能足以满足多任务处理需求。
- 定位模块：选用了中科微电子的ATGM336H-5N北斗/GPS双模导航定位模块。其与主控通过UART串口通信，具体连接方式为模块的TX引脚接主控的PA10（RX），模块的RX引脚接主控的PA9（TX），以实现经纬度数据的传输。
- 防摔倒模块：选择了MPU6050六轴（三轴加速度计+三轴陀螺仪）运动处理传感器。该模块通过I2C总线与主控通信（SCL接PB6，SDA接PB7）。其工作原理是持续测量佩戴者的加速度和角速度，当数据超过预设的阈值（表明身体姿态发生急剧异常变化，如摔倒）时，主控芯片将判定为摔倒事件。
- 障碍物检测模块：选用常见的HC-SR04超声波传感器。其Trig（触发）引脚接主控PB14，Echo（回响）引脚接PB15。主控控制其发射超声波并计算接收到回波的时间差，从而计算出前方障碍物的距离。
- 显示与交互模块：选用OLED显示屏，通过I2C接口（SCL接PB8，SDA接PB9）与主控连接，用于显示位置、姿态、障碍物距离等信息。同时选用JQ8900语音芯片，通过UART串口（TX接主控PB0，RX接主控PB1）接收指令，播放预存的语音提示。
- 通信与报警模块：短信报警选用SIM900A GSM模块，通过UART（主控PB10接模块TX，主控PB11接模块RX）发送含有报警信息和经纬度的短信给预设监护人号码。网络通信选用ESP8266 Wi-Fi模块，通过UART（接主控PA2、PA3）连接家庭路由器，负责将传感器数据上传至机智云平台并接收指令。
- 电源与集成：所有模块采用3.3V或5V供电，文中给出了详细的电源连接示意图（图2），确保了整个硬件系统的稳定运行。
第三，在软件设计阶段，研究包括主程序设计、Wi-Fi联网模块程序和机智云平台配置三部分。
- 主程序设计：流程如图3所示。程序上电后，首先对各硬件模块（OLED、传感器、串口等）进行初始化。随后进入主循环，持续执行以下任务：读取GPS模块数据并显示；查询超声波传感器，若检测到障碍物则触发语音报警；查询MPU6050传感器数据，若判断为摔倒，则同时触发语音报警和通过SIM900A发送短信报警，短信内容包含实时经纬度。
- Wi-Fi联网程序设计：针对ESP8266模块编写了驱动代码，包括初始化函数
ESP8266_Init()、设置工作站（STA）模式函数、连接指定Wi-Fi网络的函数、建立TCP服务器并处理来自机智云平台或手机App数据请求的函数。这部分程序实现了设备与互联网的可靠连接。 - 机智云平台设计：这是本研究实现“云端”功能的关键。研究者在机智云开发者平台上创建了对应的智能产品，并定义了“数据点”。“数据点”即需要在云端和App上监控的设备参数，包括：摔倒报警状态（布尔量）、障碍物距离（数值）、经纬度（数值）、短信报警电话号码（字符串）等。创建完成后，将机智云提供的设备端软件开发套件（SDK）代码移植到STM32工程中。该SDK封装了与机智云通信的协议，实现了传感器数据到云端数据包的自动转换和上传，以及云端指令的下发解析。
第四，在系统实现与测试阶段，研究者将上述硬件设计焊接组装成实物（如图5所示），并烧录了集成所有功能的软件。测试过程包括：
- 基本功能通电测试：接入5V电源，各模块指示灯正常，OLED屏幕正常点亮并显示初始化信息，表明硬件焊接与基本驱动正常。
- 核心功能验证测试：
- 定位与显示：验证OLED屏幕和手机App能否正确显示从GPS模块获取的经纬度信息。
- 防摔倒与短信报警：对拐杖系统进行大幅度倾斜模拟摔倒。测试结果是，语音模块立即播放“请注意，你已摔倒”的报警音，同时预设监护人的手机成功收到了报警短信，短信内容包含“老人可能发生危险”以及实时的经纬度坐标（如图6所示）。
- 障碍物检测与语音提示：当超声波传感器检测到前方一定距离内有障碍物时，语音模块能发出提示音。
- App远程监测：通过手机App，能够远程查看拐杖连接的设备状态，包括是否摔倒、前方障碍物距离、实时位置等。
研究主要结果
本研究成功实现了一个功能完备的智能拐杖原型系统。其核心结果体现在：
- 硬件集成结果：成功完成了以STM32F103C8T6为核心，集成GPS、MPU6050、HC-SR04、SIM900A、JQ8900、ESP8266及OLED共七个功能模块的硬件系统设计与制作。详细的电路连接说明和引脚定义（如GPS接PA9/PA10，MPU6050接PB6/PB7等）构成了该系统可复现的硬件蓝图。
- 软件功能结果：编写了稳定运行的主控程序，实现了多传感器数据的实时采集、融合判断（如摔倒判断算法）、本地报警（语音、显示）和远程通信（短信、Wi-Fi）的协同工作。特别是通过集成机智云SDK，实现了设备数据与云端/App的无缝对接。
- 系统测试结果：所有预设功能均通过实物测试验证。关键的数据支持包括：在模拟摔倒测试中，系统能够准确触发报警流程，并生成包含特定经纬度（如经度104.50，纬度31.32）的报警短信。这证明了从传感器信号采集（MPU6050数据超阈）、到主控逻辑判断、再到执行器动作（驱动SIM900A发信）的整个链路是畅通且有效的。同时，超声波测距触发语音提示、Wi-Fi数据上传至App显示等功能也得到了验证。这些结果层层递进，从模块工作正常，到功能联动正确，最终证明整个系统达到了设计目标。
结论与意义
本研究得出结论：基于STM32微控制器和机智云平台，成功设计并实现了一款多功能智能拐杖系统。该系统能够有效实现老年人的实时定位、跌倒自动检测与报警、前方障碍物探测与提醒、状态信息本地与远程显示等功能。
该研究的价值体现在：
- 应用价值：为智慧养老提供了一个切实可行的技术解决方案。该系统不仅能提升老年人在户内外活动的安全性，降低摔倒带来的伤害风险，还能通过远程监控功能减轻家庭看护者的压力，具有直接的社会效益和市场应用前景。
- 科学/工程价值：研究完整展示了一个典型物联网终端设备从需求分析、方案设计、器件选型、电路设计、嵌入式编程到云平台集成和测试验证的全流程开发实践。文中详细的硬件接口设计和软件流程，为嵌入式系统、物联网应用开发等领域的研究人员和工程师提供了有价值的参考案例。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在：
- 功能集成度高：在一个拐杖设备上集成了定位、姿态感知、环境感知、本地交互、远程通信等多种功能，实现了从本地智能到云端协同的完整方案，超越了传统单功能或少数功能集成的设计。
- 完整的“端-云-端”架构：不仅完成了硬件终端的设计，还深度利用了机智云第三方平台服务，快速实现了手机App的开发和数据云端化，展示了现代物联网产品开发的典型模式，提高了开发效率和系统的可扩展性。
- 详细的工程实现披露：论文提供了非常详尽的硬件连接细节（具体到芯片引脚号）和软件设计框架，使得该工作的可重复性很高，工程指导意义强，不同于一些只停留在概念或仿真层面的研究。
- 针对明确的社会需求：研究对象紧扣老龄化社会中的突出安全需求，研究方向具有明确的社会意义和应用导向。
其他有价值内容
文中还提供了该系统的实物照片（图5）和手机App界面设计（图4），直观展示了研究成果。此外，研究引用了多篇近期（2022-2024年）关于智能拐杖设计的文献，表明作者对该领域的技术动态有较好的把握，其工作是在现有研究基础上的进一步集成与深化。项目得到了四川工业科技学院校级科研项目的资助。