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# 🚑 智能拐杖：跌倒检测与定位报警系统
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## 📖 项目简介
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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。
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## ✨ 核心功能
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- **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。
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- **跌倒自动报警**：检测到跌倒后，系统自动触发报警流程。
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- **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。
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- **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。
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- **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。
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## 🛠️ 硬件系统架构
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### 主要组件清单
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| 模块 | 选用型号 | 关键说明 |
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| :------------- | :-------------------------------- | :---------------------------------------------------- |
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| **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。 |
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| **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。 |
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| **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。 |
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| **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。 |
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| **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。 |
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| **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。 |
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| **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。 |
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| **人机交互** | 紧急按钮、蜂鸣器 | 用于手动报警和本地声音提示。 |
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### 系统框图
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[502030 250mAh电池]
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↓
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[IP5306电源管理] → [电量指示LED]
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↓ (稳定5V/3.3V输出)
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┌─────────────────────────────────────┐
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│ STM32F103RCT6 主控 │ ← [紧急按钮(外部中断)]
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│ (USB FS for Virtual COM) │
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└───┬─────────┬─────────┬─────────┬───┘
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│ │ │ │
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↓ ↓ ↓ ↓
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[LIS3DHTR] [E108-GN03D] [Air780e] [蜂鸣器]
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加速度计 定位模块 4G模块 声音报警
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(I2C/SPI) (UART) (UART)
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## 💾 软件设计与实现
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### 开发环境
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- **IDE/编译器**: STM32CubeIDE / Keil uVision
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- **固件库**: **STM32CubeMX HAL 库** (项目基于 HAL 库开发)
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- **编程语言**: C 语言
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- **关键驱动**: **USB CDC (Communication Device Class)** 用于实现虚拟串口。
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### 程序目录结构（建议）
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Smart_Cane_FW_F103RCT6/
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├── Core/
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│ ├── Inc/
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│ ├── Src/
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│ ├── main.c
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│ └── stm32f1xx_it.c
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├── Drivers/
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│ ├── STM32F1xx_HAL_Driver/
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│ └── CMSIS/
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├── USB_DEVICE/
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│ ├── App/ # USB VCP应用层代码
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│ ├── Target/
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│ └── Class/CDC/
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├── Modules/
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│ ├── lis3dhtr/ # LIS3DHTR加速度计驱动
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│ ├── gnss_parser/ # E108-GN03D NMEA协议解析
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│ ├── air780e_at/ # Air780e 4G模块AT指令控制
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│ ├── ip5306_pwr/ # IP5306电源状态读取（可选）
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│ └── button_buzzer/ # 按键与蜂鸣器驱动
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├── Algorithm/
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│ └── fall_detection.c # 核心跌倒检测算法
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├── Middlewares/
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│ └── ST/STM32_USB_Device_Library/ # USB库文件
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└── README.md
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### 核心算法流程
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1. **数据采集**：通过 I2C/SPI 定时（如 20Hz）读取 LIS3DHTR 的加速度数据。
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2. **预处理与特征计算**：
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- 对原始数据进行**低通滤波**，消除高频噪声。
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- 计算**合成加速度向量幅值(SVM)**：`SVM = sqrt(ax^2 + ay^2 + az^2)`。
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3. **跌倒状态判断（双阈值法）**：
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- **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。
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- **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。
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- **综合判决**：同时满足以上两个条件，则最终判定为**跌倒发生**。
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4. **报警触发流程**：
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- 系统由低功耗模式被**传感器中断**或**紧急按钮中断**唤醒。
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- 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）。
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- 开启定位模块，解析有效的**NMEA**语句获取经纬度。
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- 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。
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- 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。
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## 🔌 硬件连接关键引脚（基于 STM32F103RCT6）
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| STM32 引脚 | 连接模块/功能 | 通信接口/说明 |
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| :--------- | :------------------------ | :------------------------------- |
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| PA9, PA10 | **Air780e (4G 模块)** | USART1_TX, USART1_RX (AT 指令) |
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| PA2, PA3 | **E108-GN03D (定位模块)** | USART2_TX, USART2_RX (NMEA 数据) |
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| PB6, PB7 | **LIS3DHTR (加速度计)** | I2C1_SCL, I2C1_SDA |
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| PC13 | **紧急按钮** | 外部中断 (下降沿触发) |
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| PB8 | **蜂鸣器** | GPIO 输出 (推挽输出) |
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| PA11, PA12 | **USB FS** | USB_DM, USB_DP (用于虚拟串口) |
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| PB12 | **Air780e_PWRKEY** | GPIO 输出 (控制模块开关机) |
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| PB13 | **GNSS 模块使能** | GPIO 输出 (控制定位模块电源) |
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## 📱 报警短信格式示例
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【智能拐杖紧急报警】
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状态：检测到跌倒！
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位置：E 121.472341°， N 31.236587°
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时间：2024-05-27 10:30:45
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地图链接：https://www.google.com/maps?q=31.236587,121.472341
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请尽快确认老人安全！
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_(注：地图链接可根据接收方习惯更换为百度地图等。)_
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## 🔋 低功耗与电源管理策略
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1. **硬件管理（IP5306）**：
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- 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。
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- 配置 IP5306 在轻载时自动进入待机，降低静态功耗。
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2. **软件策略**：
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- **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。
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- **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。
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- **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。
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## 📁 仓库文件清单
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- `Hardware/`
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- `Schematic/` - 原理图文件 (`.pdf`, `.sch`)
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- `PCB/` - PCB 布局文件 (`.pcb` 或 Gerber 文件)
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- `BOM/` - 元件清单 (`.xlsx` 或 `.csv`)
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- `Firmware/` - 完整的 STM32CubeIDE/Keil 工程源代码 (结构如上所示)
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- `Documents/`
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- `Design_Report.pdf` - 详细设计报告
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- `AT_Command_Set.md` - 针对 Air780e 和 E108 模块整理的 AT 指令集
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- `User_Manual.pdf` - 用户使用手册
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- `Tools/` - 可能用到的测试脚本或工具
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- `README.md` - 本文件
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## 🚀 快速开始指南
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1. **硬件准备与焊接**：
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- 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）。
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- 将 **Air780e** 模块插入板载 SIM 卡座，并安装天线。
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2. **固件编译与烧录**：
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- 用 STM32CubeIDE 打开 `Firmware` 目录下的工程。
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- 使用 **ST-Link** 或 **USB DFU** 将编译好的固件烧录至 STM32。
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3. **配置与测试**：
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- 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。
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- 在 `air780e_at.c` 文件中修改`DEFAULT_PHONE_NUMBER`为你的紧急联系电话。
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- 为电池充电，然后在户外开阔地测试定位和短信发送功能。
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4. **阈值校准**：
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- 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。
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## ⚠️ 重要注意事项
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- **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。
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- **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。
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- **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。
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- **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。
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- **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。
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## 📚 参考资料
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1. [M100P-C 产品资料](https://yinerda.yuque.com/yt1fh6/4gdtu/qpk0i4go2d5dlhnh)
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2. [DTU/RTU 产品技术售后处理](https://yinerda.yuque.com/yt1fh6/4gdtu/iov6crmokc8ywu4n)
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3. [GPS 模块文档](https://www.ebyte.com/product/2201.html)
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## 📄 许可证
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本项目采用 [MIT License](LICENSE)。
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## 🤝 贡献与联系
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欢迎提交 Issue 和 Pull Request 来改进代码或文档。
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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。**
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FreeRTOS任务划分建议：
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任务名称 优先级 堆栈大小 功能描述
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Sensor_Task 3 512字节 LIS3DHTR数据采集与跌倒算法
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GPS_Task 2 1024字节 定位数据获取与解析
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Comm_Task 4 2048字节 GSM短信发送（阻塞操作多）
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Key_Task 5（最高） 256字节 手动报警按键检测
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Power_Task 1 512字节 电池管理与低功耗控制
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Monitor_Task 2 512字节 系统状态监控与LED指示
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