🚑 智能拐杖：跌倒检测与定位报警系统

📖 项目简介

本项目是一个基于 STM32F103RCT6 微控制器的便携式智能拐杖原型机，旨在为老年人或行动不便者的户外出行提供安全防护。系统核心功能是自动检测使用者跌倒状态，并在第一时间通过4G 短信将精准位置信息发送至预设的紧急联系人，同时支持手动一键报警。项目采用 USB 虚拟串口（VCP） 进行调试，并通过 HAL 库 进行开发，兼顾了开发效率与系统稳定性。

✨ 核心功能

• 智能姿态识别：基于 LIS3DHTR 三轴加速度计数据，融合阈值算法，实时区分正常行走、静坐、跌倒等多种状态。
• 跌倒自动报警：检测到跌倒后，系统自动触发报警流程。
• 手动紧急求助：配备实体紧急按钮，使用者可在任何感觉不适时主动求助。
• 4G 定位与短信报警：集成E108-GN03D（GPS/北斗双模）定位模块获取经纬度，通过Air780e 4G 模块将包含位置信息（经纬度及网络地图链接） 的报警短信发送给监护人。
• 低功耗运行：通过 IP5306 电源管理芯片与软件休眠策略，结合 502030 软包电池，优化系统续航。

🛠️ 硬件系统架构

主要组件清单

模块	选用型号	关键说明
主控制器	STM32F103RCT6	核心主控，负责数据处理、逻辑控制与各模块调度。
姿态传感器	LIS3DHTR	采用 I2C/SPI 通信，提供三轴加速度数据，功耗较低。
定位模块	E108-GN03D (亿佰特)	GPS/北斗双模定位模块，提供高精度位置信息。
通信模块	Air780e (M100P) (合宙/银尔达)	支持 4G Cat.1 通信，用于发送报警短信，兼容 AT 指令。
电源管理	IP5306	集成充电管理、升压输出、电量显示等功能，效率高。
电池	502030 软包锂电池 (250mAh)	紧凑型电池，满足便携式设备对体积和容量的要求。
调试接口	USB 虚拟串口(VCP)	通过 STM32 内置 USB FS 接口实现，方便调试与固件升级。
人机交互	紧急按钮、蜂鸣器	用于手动报警和本地声音提示。

系统框图

     [502030 250mAh电池]
            ↓
       [IP5306电源管理] → [电量指示LED]
            ↓ (稳定5V/3.3V输出)
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │           STM32F103RCT6 主控        │ ← [紧急按钮(外部中断)]
   │      (USB FS for Virtual COM)       │
   └───┬─────────┬─────────┬─────────┬───┘
       │         │         │         │
       ↓         ↓         ↓         ↓
[LIS3DHTR] [E108-GN03D] [Air780e] [蜂鸣器]
加速度计    定位模块      4G模块    声音报警
(I2C/SPI)   (UART)       (UART)

💾 软件设计与实现

开发环境

• IDE/编译器: STM32CubeIDE / Keil uVision
• 固件库: STM32CubeMX HAL 库 (项目基于 HAL 库开发)
• 编程语言: C 语言
• 关键驱动: USB CDC (Communication Device Class) 用于实现虚拟串口。

程序目录结构（建议）

Smart_Cane_FW_F103RCT6/
├── Core/
│   ├── Inc/
│   ├── Src/
│   ├── main.c
│   └── stm32f1xx_it.c
├── Drivers/
│   ├── STM32F1xx_HAL_Driver/
│   └── CMSIS/
├── USB_DEVICE/
│   ├── App/                 # USB VCP应用层代码
│   ├── Target/
│   └── Class/CDC/
├── Modules/
│   ├── lis3dhtr/           # LIS3DHTR加速度计驱动
│   ├── gnss_parser/        # E108-GN03D NMEA协议解析
│   ├── air780e_at/         # Air780e 4G模块AT指令控制
│   ├── ip5306_pwr/         # IP5306电源状态读取（可选）
│   └── button_buzzer/      # 按键与蜂鸣器驱动
├── Algorithm/
│   └── fall_detection.c    # 核心跌倒检测算法
├── Middlewares/
│   └── ST/STM32_USB_Device_Library/ # USB库文件
└── README.md

核心算法流程

1. 数据采集：通过 I2C/SPI 定时（如 20Hz）读取 LIS3DHTR 的加速度数据。
2. 预处理与特征计算：
   • 对原始数据进行低通滤波，消除高频噪声。
   • 计算合成加速度向量幅值(SVM)：SVM = sqrt(ax^2 + ay^2 + az^2)。
3. 跌倒状态判断（双阈值法）：
   • 冲击检测：若 SVM 瞬间超过高阈值（如 2.8g），判定为发生剧烈冲击，进入“疑似跌倒”状态。
   • 姿态判断：在冲击后的时间窗内（如 1 秒），若计算出的静态倾斜角持续超过角度阈值（如 60°），判定身体处于非正常姿态。
   • 综合判决：同时满足以上两个条件，则最终判定为跌倒发生。
4. 报警触发流程：
   • 系统由低功耗模式被传感器中断或紧急按钮中断唤醒。
   • 若判定跌倒或按键按下，立即启动蜂鸣器进行本地提示（可给用户取消误报的缓冲时间）。
   • 开启定位模块，解析有效的NMEA语句获取经纬度。
   • 开启 4G 模块，通过 AT+CMGS 指令将包含位置和地图链接的报警短信发送至预设号码。
   • 任务完成后，所有外设断电，主控进入停机(STOP)模式等待下次唤醒。

🔌 硬件连接关键引脚（基于 STM32F103RCT6）

STM32 引脚	连接模块/功能	通信接口/说明
PA9, PA10	Air780e (4G 模块)	USART1_TX, USART1_RX (AT 指令)
PA2, PA3	E108-GN03D (定位模块)	USART2_TX, USART2_RX (NMEA 数据)
PB6, PB7	LIS3DHTR (加速度计)	I2C1_SCL, I2C1_SDA
PC13	紧急按钮	外部中断 (下降沿触发)
PB8	蜂鸣器	GPIO 输出 (推挽输出)
PA11, PA12	USB FS	USB_DM, USB_DP (用于虚拟串口)
PB12	Air780e_PWRKEY	GPIO 输出 (控制模块开关机)
PB13	GNSS 模块使能	GPIO 输出 (控制定位模块电源)

📱 报警短信格式示例

【智能拐杖紧急报警】
状态：检测到跌倒！
位置：E 121.472341°， N 31.236587°
时间：2024-05-27 10:30:45
地图链接：https://www.google.com/maps?q=31.236587,121.472341
请尽快确认老人安全！

(注：地图链接可根据接收方习惯更换为百度地图等。)

🔋 低功耗与电源管理策略

1. 硬件管理（IP5306）：
   • IP5306 提供完整的锂电池充电、升压输出（至 5V）、负载检测和 4 颗 LED 电量显示功能。
   • 配置 IP5306 在轻载时自动进入待机，降低静态功耗。
2. 软件策略：
   • 分时供电：通过 GPIO 控制 MOSFET，仅在使用时为定位模块和4G 模块供电。
   • 主控休眠：在空闲时，调用HAL_PWR_EnterSTOPMode()使 STM32 进入停机模式，此时功耗极低。可由 RTC 闹钟、加速度计中断 或 紧急按钮外部中断 唤醒。
   • 外设时钟管理：不使用时，通过__HAL_RCC_USARTx_CLK_DISABLE()等宏关闭外设时钟。

📁 仓库文件清单

• Hardware/
  • Schematic/ - 原理图文件 (.pdf, .sch)
  • PCB/ - PCB 布局文件 (.pcb 或 Gerber 文件)
  • BOM/ - 元件清单 (.xlsx 或 .csv)
• Firmware/ - 完整的 STM32CubeIDE/Keil 工程源代码 (结构如上所示)
• Documents/
  • Design_Report.pdf - 详细设计报告
  • AT_Command_Set.md - 针对 Air780e 和 E108 模块整理的 AT 指令集
  • User_Manual.pdf - 用户使用手册
• Tools/ - 可能用到的测试脚本或工具
• README.md - 本文件

🚀 快速开始指南

1. 硬件准备与焊接：
   • 根据原理图焊接所有元件，注意IP5306的反馈电阻配置（决定输出电压）。
   • 将 Air780e 模块插入板载 SIM 卡座，并安装天线。
2. 固件编译与烧录：
   • 用 STM32CubeIDE 打开 Firmware 目录下的工程。
   • 使用 ST-Link 或 USB DFU 将编译好的固件烧录至 STM32。
3. 配置与测试：
   • 通过 USB 虚拟串口 连接电脑，使用串口助手查看系统日志和调试信息。
   • 在 air780e_at.c 文件中修改DEFAULT_PHONE_NUMBER为你的紧急联系电话。
   • 为电池充电，然后在户外开阔地测试定位和短信发送功能。
4. 阈值校准：
   • 在实际使用场景下（如不同地面），通过 USB 串口输出传感器数据，微调fall_detection.c中的加速度阈值和角度阈值，以平衡灵敏度与误报率。

⚠️ 重要注意事项

• 首次定位时间：E108-GN03D模块冷启动时，需在户外空旷处等待1-3 分钟以获取卫星星历。
• SIM 卡与网络：确保 Air780e 模块中插入的 SIM 卡已开通4G 数据和短信功能，并已关闭 PIN 码验证。
• 天线安装：务必安装好4G 天线和GNSS 天线，并确保其位置不被金属严重遮挡，否则将严重影响信号质量。
• 电池安全：502030 软包电池需做好物理防护，避免刺穿或过度弯折。充电电路应严格按照 IP5306 datasheet 设计。
• 误报处理：算法中加入了一个短暂的本地蜂鸣提示期，若为误报（如用力放下拐杖），用户可在此期间按下紧急按钮取消短信发送。

📚 参考资料

1. M100P-C 产品资料

2. DTU/RTU 产品技术售后处理

3. GPS 模块文档

📄 许可证

本项目采用 MIT License。

🤝 贡献与联系

欢迎提交 Issue 和 Pull Request 来改进代码或文档。 如有任何技术问题或建议，可通过仓库的 Issues 页面发起讨论。

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让精准的感知与及时的通信，成为长者出行的安心守护。

FreeRTOS任务划分建议： 任务名称 优先级 堆栈大小 功能描述 Sensor_Task 3 512字节 LIS3DHTR数据采集与跌倒算法 GPS_Task 2 1024字节 定位数据获取与解析 Comm_Task 4 2048字节 GSM短信发送（阻塞操作多） Key_Task 5（最高） 256字节 手动报警按键检测 Power_Task 1 512字节 电池管理与低功耗控制 Monitor_Task 2 512字节 系统状态监控与LED指示