基于STM32的听障人士辅助手环

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　　摘 要：中国听力障碍者已达7 200万，听不到声音给这个庞大群体的生活带来很大的不便。为了解决这个问题， 文中设计一种听障人士辅助手环，并详细介绍该手环的硬件设计及实现原理。该手环以STM32F103ZET6为处理器，采用nRF24L01无线模块、模拟量声音传感器、OLED显示屏，实现危险声音检测并提醒，还有访客提醒功能。经实物组装测试，该手环可以快速响应按键指令，具有低功耗、便操作优势，基本符合设计要求。手环可以解决听障人士部分生活中困难，具有一定的推广意义。
　　关键字：STM32;听障人士;辅助手环;OLED;nRF24L01;传感器
　　中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-02
　　0 引 言
　　听障人士是个庞大的群体，全国约有7 200万人，听不到声音给他们的生活带来很大的不便。听不到汽车鸣笛声、喊叫声、警报声等危险警示声常常给他们带来危险，但是目前市面上没有产品可解决该问题，并且常见的听障人士门铃，为闪光提醒，这就不可避免的有看不见或者睡着了而错过的情况[1]。
　　因此本文设计一种听障人士辅助手环，实现日期显示、闹钟提醒、危险声音检测并提醒以及来访者提醒功能，来解决听障人士生活中遇到的问题[2]。
　　1 总体硬件设计
　　系统硬件主要由两大部分组成，即以STM32F103ZET6为处理器的手环部分和门铃部分。
　　手环部分采用0.96寸OLED進行日期和提醒文字的显示，NRF20L01无线模块进行数据的接受，模拟量声音传感器进行危险声音的检测，直流振动马达作为振动源[3]。
　　手环通过无线模块接收门铃发送的数据并传回处理
　　器[4]，处理器控制马达起振，OLED屏显示提示文字。模拟量声音传感器会实时检测周围声音并输出模拟信号[5]，模拟信号传入放大电路进行放大，放大后信号传入比较电路，当放大后信号超出设定阈值，电路会输出高电压信号，处理器检测到该高电压信号后控制马达起振。
　　门铃部分由STM32F103ZET6处理器与nRF24L01无线模块够成[6]。检测到门铃板载按键按下时，处理器控制无线模块发送一组数据给手环的无线模块[7]。手环部分与门铃部分都设有复位按键，增强手环可靠性。
　　1.1 手环设计
　　手环部分由STM32F103ZET6微处理器、nRF24L01无线模块、0.96寸OLED液晶屏幕、模拟量声音传感器及振动马达构成。模拟量声音传感器用于采集周围声音，并输出模拟信号。由于输出的模拟信号电压幅度过小无法检测，需要放大电路进行放大，而后传入比较电路，若其幅值超过设定阈值则认定该声音为危险声音。电压比较电路会输出一个高电平信号，处理器接收到该电平信号控制振动马达起振，OLED屏幕显示提醒文字[8]。无线模块接受门铃发送的数据，传回处理器，处理器进而控制振动马达起振并在屏幕显示文字提示。OLED屏幕结合软件程序实现日期时间显示功能。手环整体设计框图如图1所示。
　　处理器使用意法半导体公司的STM32F103ZET6，其拥有64 KB SRAM，512 KB FLASH，3个SPI，多个定时器以及112个通用GPIO口，满足使用需求，并且具有处理速度快，成本低的优势[9]。
　　无线模块为深圳云佳科技生产的nRF24L01[10]，稳定性较高。使用2.4 GHz全球开放的ISM频段，抗干扰能力强，最高工作速度可达2 Mb/s。与处理器间采用SPI方式连接。
　　0.96寸OLED液晶屏幕显示实时时间及日期与提醒文字，与处理器采用I2C模式进行通信[11]。SCL，SDA仅占用处理器两个GPIO口即可完成数据传输，具有占用资源少、便于控制、功耗少的优势。
　　模拟量声音传感器工作电压为3.3 V，输出模拟信号幅度值较小，为保证检测的可靠性与准确性需接入放大电路。放大电路由LM358芯片与电位器设计而成，放大倍数通过电位器旋钮进行调节。放大后信号进入比较电路，与参考电压进行比较，超过参考电压则判定该声音为危险声音，并反馈给处理器，处理器进而控制振动马达起振。电压比较电路由LM358与电位器构成，如图2所示左半部分为放大电路，右半部分为电压比较电路。
　　振动马达为直流马达，1.9 V电压50 mA电流即可工作，功率小，处理器普通GPIO便可驱动振动马达工作。振动马达一端接地，一端接处理器GPIO端口，处理器通过控制GPIO口输出电压来控制振动马达。
　　1.2 门铃模块设计
　　门铃模块由STM32F103ZET6处理器与nRF24L01无线模块组成。处理器与无线模块采用SPI方式连接，按下门铃板载按键触发中断，控制无线模块向手环发送数据。nRF24L01无线模块连接图如图3所示。
　　2 软件设计
　　软件程序设计由两部分组成，即手环部分软件程序和门铃部分软件程序。手环部分软件程序上电后进行初始化，并配置系统时钟与闹钟，然后正常工作。日期时间显示由处理器自带RTC中断完成，实行秒中即断每秒中断一次并更新屏幕时间显示，闹钟功能由闹钟中断实现，到达闹钟设置时间后触发中断，处理器控制振动马达工作。模拟量声音传感器不断检测周围声音，一旦检测到危险声音便触发处理器中断，程序运行中断服务控制振动马达工作并在屏幕显示提示文字。无线模块待机等待接受数据，一旦接受到数据则进入工作模式触发处理器中断，执行无线模块中断服务，控制振动马达工作并在屏幕显示相应的文字提示。程序设计流程如图4所示。
　　门铃部分软件程序上电后先进行初始化，然后正常工作。门铃无线模块处于待机状态，按下门铃板载按键触发中断，唤醒门铃无线模块与手环无线模块进行匹配，执行中断服务门铃无线模块发送数据。 　　软件程序设计完成后，烧录到STM32F103ZET6处理器中，进行整体测试，OLED屏幕可以正常显示日期时间，无线模块发射接收数据正常，闹钟功能、危险声音检测、门铃功能正常。手环部分与门铃部分实物如图5所示。
　　3 结 语
　　本文主要介绍了听障人士辅助手环危险声音检测功能与来客提醒功能的设计。该手环的危险声音检测功能可以检测鸣笛声、喊叫声、火灾报警声等，即时提醒听障人士躲避危险，避免不必要危险发生。来客提醒功能通过无线模块，振动马达与手环的结合，代替传统闪光提醒，避免了因睡着而错过的情况，提高了实用性，解决了听障人士生活中的大麻烦。
　　参 考 文 献
　　[1]李翰阳，王钦松，万民欢，等.基于单片机的聋人电子门铃的设计[J].无线互联科技，2017（8）：45-47.
　　[2]李荣.用于聋人的门铃[J].艺术科技，1995（3）：17.
　　[3]程望斌，冯建伟，谭绍钰，等.基于AT89S52的多功能智能门铃设计[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2016，29（4）：49-52.
　　[4]韩伟，刘涌，张海瑞，等.一款无线控制的编解码门铃设计[J].中国科技信息，2016（1）：71-72.
　　[5]刘雯，綦航，刘浩，等.人性化噪音检测提示系统设计[J].物联网技术，2019，9（1）：18-20.
　　[6]李泽坤，叶水生.基于nRF24L01无线网络节点的硬件设计[J].仪表技术与传感器，2013（11）：95-97.
　　[7]黄衍标，曹淑宽.基于nRF24L01的智能物联系统组网技术研究[J].现代信息科技，2018（10）：192-194.
　　[8]顾雯莹，耿羽萌，陈真.基于OLED显示和蓝牙通信系统的智能水杯设计[J].产业与科技论坛，2017，16（13）：53-54.
　　[9] STMicroelectronics. NUCLEDO-L053RS8Datasheet[EB/OL]. [2010-11-11]. https：//www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/403727/STMICROELECTRONICS/STM8L101.html
　　[10]讯通科技.nRF24L01中文資料[EB/OL]. [2010-08-26]. https：//max.book118.com/html/2018/0503/164476855.shtm.
　　[11]王瑾，袁战军.基于I2C总线的无线通信系统设计[J].信息通信，2017（8）：40-41.
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