# 🚑 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](https://yinerda.yuque.com/yt1fh6/4gdtu/qpk0i4go2d5dlhnh)

2. [DTU/RTU 产品技术售后处理](https://yinerda.yuque.com/yt1fh6/4gdtu/iov6crmokc8ywu4n)

3. [GPS 模块文档](https://www.ebyte.com/product/2201.html)

## 📄 许可证

本项目采用 [MIT License](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。

---

**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