基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖的設(shè)計(jì)

符長(zhǎng)友　賈金玲　劉暢

摘 要： 為了讓老年人安全出行，通過(guò)智能手杖來(lái)實(shí)時(shí)感知其出行情況。針對(duì)現(xiàn)有智能手杖的缺陷與功能不足，提出并采用振動(dòng)與電容傳感器、嵌入式微處理器、GPS全球定位、3G無(wú)線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款全新的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖。詳細(xì)闡述其工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成、硬件模塊設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)以及測(cè)試結(jié)果。實(shí)踐表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖靈敏度高、響應(yīng)快，能有效判定老人是否摔倒，若老人摔倒，智能手杖自動(dòng)向周?chē)凹覍俨l(fā)出求助信息，使老人能及時(shí)得到救助。

關(guān)鍵詞： 智能手杖； 物聯(lián)網(wǎng)； 3G無(wú)線通信； 實(shí)時(shí)感知

中圖分類(lèi)號(hào)： TN711?34； TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0090?05

Abstract： In order to make the old travel safely， it is necessary to perceive the real?time travel situation by smart walking cane automatically. A new smart walking cane based on Internet of Things （IOT） is proposed to overcome the defects and functional deficiency of the traditional walking cane. Some vibration sensors， capacitance sensors， embedded microcontroller， GPS， 3G wireless communication and so on are adopted in the new cane. The working principle， system structure， hardware modules design， software design and testing results of the smart walking cane based on IOT are described in detail. The application result shows that the smart walking cane based on IOT has high sensitivity and fast response， and can effectively monitor whether the elderly has fallen down. If this happen， the smart walking cane will send out the information for help to passerby and his family members， so that the elderly will get rescued in time.

Keywords： Smart Walking Cane； IOT； 3G wireless communication； real?time perception

0 引 言

隨著我國(guó)老齡化形勢(shì)進(jìn)一步加劇，到2040年，65歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^(guò)20%，到2050年，我國(guó)老年人口將超過(guò)4億人，老齡化水平將達(dá)到30%。老年人口高齡化趨勢(shì)日益明顯，80歲及以上高齡老人正以每年5%的速度增加[1?4]，到2040年將增加到7 400多萬(wàn)人。老年人的安危，是子女和親人最關(guān)心的問(wèn)題。為了讓更多老年人安全出行，讓家人減少一份擔(dān)心以及安心工作、舒適生活，需要一種儀器能時(shí)刻關(guān)注老年人的出行、感知老年人的行為。由于老年人出行時(shí)常攜帶一根手杖，為此結(jié)合當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖。

目前市面上的智能手杖與傳統(tǒng)的普通手杖相比，功能上雖然有了很大的改進(jìn)或改良，比如有的加裝了防滑、照明、收音機(jī)等功能部件，但仍缺少人性化關(guān)懷功能，如無(wú)法準(zhǔn)確判定老人是否跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l(fā)情況[5?6]。如果老人出現(xiàn)異?；蛲话l(fā)情況，手杖無(wú)法向其周?chē)?、家人發(fā)出求助信號(hào)，使老人失去得到及時(shí)的救護(hù)。因此老年人迫切需要關(guān)懷性更強(qiáng)、服務(wù)功能更多的智能手杖。

利用傳感器、嵌入式微處理器、GPS全球定位、3G無(wú)線通信技術(shù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款全新的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖。該手杖不僅能準(zhǔn)確判定老人的意外跌倒或身體不適等異常或突發(fā)情況，并能自動(dòng)向其周?chē)l(fā)出求助信號(hào)，使老人能在最短時(shí)間內(nèi)得到及時(shí)救助。同時(shí)，并將老人所處的地理位置及時(shí)通過(guò)3G發(fā)送消息到其多個(gè)家人的手機(jī)上，使家人能在最短的時(shí)間掌握、知曉老人的情況，并及時(shí)撥打“120”等救助電話。

1 工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖（正常使用時(shí)，手杖上的腕帶套在老人的手腕上）主要功能有兩個(gè)：準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并判定老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l(fā)情況；監(jiān)測(cè)到老人發(fā)生了異?；蛲话l(fā)情況，智能手杖發(fā)出有效的救助信號(hào)。因此第1個(gè)功能是最基本的，同時(shí)也是重要的。如何有效監(jiān)測(cè)并判定老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l(fā)情況，需通過(guò)電容傳感器、振動(dòng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作原理如下。當(dāng)手杖上端的開(kāi)關(guān)電源打開(kāi)后，首先由電容傳感器來(lái)判定老人是否手持手杖。在手杖的手柄處，安裝一個(gè)電容傳感器：手柄處嵌入一塊金屬片，作為電容傳感器的一個(gè)電極，而腕帶（里面嵌入一塊可折疊的軟金屬片）作為其另一個(gè)電極。所產(chǎn)生的電容為：[C=][ε Ad=ε0 εr Ad] 。其中ε0=8.854×10-12為恒定的真空介電常數(shù)，εr為變化的材料介電常數(shù)，A為手柄上的電極面積（固定值），d為2個(gè)電極之間距離（對(duì)智能手杖而言，如果老人沒(méi)手持手杖，d則是一個(gè)相對(duì)的固定值；如果老人持有手杖，腕帶可能隨時(shí)在動(dòng)，d則是變化值）。如果老人手持手杖，由于有手的介入，εr值將會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)d也是一個(gè)變化值，從而造成電容C也會(huì)隨之而改變。這樣，就可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地感知老人是否手持手杖。

然后再使用振動(dòng)傳感器可檢測(cè)出老人使用手杖的情況。在手杖的底部安裝一個(gè)精密的振動(dòng)傳感器。當(dāng)手杖使用時(shí)，只要有輕微振動(dòng)或抖動(dòng)，振動(dòng)傳感器立即產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，系統(tǒng)微處理器可立刻檢測(cè)到該信號(hào)，即表示手杖正在使用。再結(jié)合電容傳感器，針對(duì)老人是否使用手杖，下面分3種情況來(lái)詳細(xì)闡述：

（1） 當(dāng)手杖脫手并處于靜止?fàn)顟B(tài)。在這情況下，有可能是老人沒(méi)使用手杖而將其放置一旁，也有可能是老人意外跌倒等而造成手杖脫手。當(dāng)系統(tǒng)微處理器檢測(cè)到振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)沒(méi)有變化時(shí)，并立即自動(dòng)計(jì)時(shí)。如果30 s內(nèi)振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)仍一直未改變，手杖自動(dòng)發(fā)出“滴滴”的比較弱小的報(bào)警聲和狀態(tài)顯示LED燈閃爍顯示，提示老人是否繼續(xù)使用手杖。如果老人當(dāng)前確實(shí)不需要使用手杖，則關(guān)閉手杖電源開(kāi)關(guān)即可。如果老人需要使用手杖，前去拿起即可，“滴滴”的報(bào)警聲則自動(dòng)消失和狀態(tài)顯示LED燈閃爍顯示關(guān)閉。如果老人跌倒了，處于昏迷狀態(tài)而根本無(wú)法聽(tīng)到“滴滴”的報(bào)警聲或者聽(tīng)到“滴滴”的報(bào)警聲而無(wú)法動(dòng)彈或根本夠不著手杖時(shí)，手杖在響了3次“滴滴”的報(bào)警聲后，馬上發(fā)出尖銳、刺耳的“嗚嗚”的報(bào)警聲、“需救助”的語(yǔ)音和狀態(tài)顯示LED燈閃爍更明顯，讓手杖附近的人們聽(tīng)見(jiàn)呼救聲或看見(jiàn)燈閃爍并前來(lái)救助。這樣，老人將得到及時(shí)的救助。

（2） 當(dāng)手杖未脫手并處于靜止?fàn)顟B(tài)。在這種情況下，有可能是老人身體是好的，只是短時(shí)間內(nèi)未使用手杖，也有可能是老人意外跌倒等而造成手杖未脫手。與情況（1）類(lèi)似，如果老人身體是好的，聽(tīng)見(jiàn)報(bào)警聲或看見(jiàn)LED燈閃爍，稍稍揮動(dòng)手腕，振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)立即變化，“滴滴”的報(bào)警聲則自動(dòng)消失和狀態(tài)顯示LED燈閃爍顯示關(guān)閉。如果老人跌倒了，與情況（1）中最后一種情況一樣，手杖馬上發(fā)出報(bào)警聲與求助信息，讓手杖附近的人前來(lái)救助。這樣，老人也將得到及時(shí)的救助。

（3） 其他狀態(tài)，均表示老人正在使用手杖。這樣，有效地實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖的第一個(gè)功能：準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并判定老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l(fā)情況。那其第二個(gè)功能：監(jiān)測(cè)到老人發(fā)生了異?；蛲话l(fā)情況，智能手杖發(fā)出有效的救助信號(hào)，如何來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？除了情況（1），（2）中提到的手杖自動(dòng)發(fā)出尖銳、刺耳的“嗚嗚”的報(bào)警聲和“需救助”的語(yǔ)音外，手杖還可以把老人跌倒的位置信息及時(shí)通過(guò)3G無(wú)線通信方式，發(fā)短信到其多位家人的手機(jī)上。家人通過(guò)接收到的位置信息，撥打“120”救助電話并準(zhǔn)確告知其位置，使老人得到及時(shí)救助。與此同時(shí)，家人也能快速趕到老人跌倒的位置。此外，手杖自身也能撥打“120”救助電話，并語(yǔ)音播放老人的姓名、位置等信息，明確告知對(duì)方，為及時(shí)救助贏得時(shí)間。這樣，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖從多方位、多渠道來(lái)及時(shí)救助老人。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖由智能手杖與位置管理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，智能手杖實(shí)時(shí)感知老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l(fā)情況。如果發(fā)生，智能手杖把當(dāng)前地理位置信息發(fā)給位置管理系統(tǒng)，同時(shí)并自動(dòng)撥打“120”救助電話，并語(yǔ)音播放老人的姓名、位置等信息，準(zhǔn)確告知對(duì)方，以方便及時(shí)救助。而位置管理系統(tǒng)是一款安裝在家人手機(jī)上GPS全球定位系統(tǒng)管理軟件，根據(jù)接收到的地理信息，自動(dòng)準(zhǔn)確顯示出老人的位置：包括具體的街道名、巷道名等精確信息，以方便家人快速找到。智能手杖與位置管理系統(tǒng)之間通過(guò)3G無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其功能框圖如圖1所示。智能手杖由電容傳感器、振動(dòng)傳感器、嵌入式微處理器、GPS定位模塊、3G無(wú)線通信模塊、語(yǔ)音處理模塊、按鍵、狀態(tài)顯示LED燈等構(gòu)成，其功能框圖如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電容傳感器

電容傳感器采用CAV444芯片。該芯片是一個(gè)可測(cè)量多種電容式傳感器，可把電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成線性的差分電壓信號(hào)輸出。輸出的差分電壓信號(hào)的零點(diǎn)和滿度可以簡(jiǎn)單地用2個(gè)外接電阻進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)。該差分電壓信號(hào)，其實(shí)是輸出電壓信號(hào)與一個(gè)參考電壓VREF=2.5 V的差值，差分輸出電壓的范圍最大為±1.4 V，最大輸出電壓VOUTmax=2.5 V±1.4 V，即1.1～3.9 V之間[7]。為了確保CAV444檢測(cè)的靈敏度與可靠性，其輸出電壓信號(hào)再用16 b的ADS8325進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)微處理器可方便處理高精度的數(shù)字信號(hào)。其電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

3.2 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器采用801S。該傳感器具有極寬的振動(dòng)偵測(cè)范圍、低損耗、靈敏度可作相應(yīng)調(diào)整，并無(wú)方向限制。其振動(dòng)可達(dá)6 000萬(wàn)次，表面鍍金，以延長(zhǎng)使用壽命[8]。由于801S輸出一個(gè)電壓模擬信號(hào)，必須進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換后，才能被系統(tǒng)微處理器識(shí)別。由于前述電容傳感器CAV444中需用ADC，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電的鋰電池的電壓也需ADC。同時(shí)手杖的安裝空間非常有限，因此采用共用ADC，各路信號(hào)的輸入通過(guò)模擬切換開(kāi)關(guān)ADG409來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.3 3G無(wú)線通信模塊

3G無(wú)線通信選用集成度高的并帶有GPS定位功能UC20模塊。該模塊為采用PCI Express Mini Card 1.2標(biāo)準(zhǔn)接口的UMTS/HSPA模塊，支持WinCE/Linux/Android等嵌入式操作系統(tǒng)，支持TCP/PPP/UDP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有語(yǔ)音、短信和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能。工作頻段為900/2 100 MHz@UMTS，850/900/1 800/1 900 MHz@GSM。數(shù)據(jù)傳輸速率為上行最大為14.4 Mb/s，下行最大為5.76 Mb/s。此外UC20還帶有GPS定位功能，支持NMEA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。UC20通過(guò)UART接口與系統(tǒng)微處理器相連，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。UC20的USIM_DATA，USIM_CLK，USIM_RST分別與USIM卡座的I/O，CLK，RST引腳相連。

3.4 語(yǔ)音處理模塊

語(yǔ)音處理采用TLV320AIC3254。該芯片是一款低功耗、低電壓的帶微型DSP的立體聲編碼解碼器，其輸入與輸出是可編程控制調(diào)節(jié)的。其內(nèi)部集成了PLL，LDO與多種數(shù)字通信接口。采用AEC?Q100認(rèn)證，具有以下優(yōu)點(diǎn)：100 dB信噪比的立體聲音頻DAC，4.1 mW立體聲48 kS/s DAC回放，6.1 mW立體聲48 kS/s DAC錄音，低噪聲PGA等[9]。由于3G模塊UC20同樣需要音頻輸入與輸出設(shè)備，因此在設(shè)計(jì)時(shí)把二者的麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器共用，采用電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.5 系統(tǒng)微處理器

微處理器作為智能手杖的核心組成部分，不僅要及時(shí)采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，而且還要快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算，此外還需把老人跌倒等異常信息通過(guò)3G傳給位置管理系統(tǒng)及時(shí)告知其家人?？紤]到傳感器、3G模塊的通信接口及數(shù)據(jù)處理速率等，采用高性能的LPC2124。該芯片是一款低功耗、多功能，32位ARM7TDMI?S內(nèi)核的微控制器，內(nèi)置256 KB高性能FLASH存儲(chǔ)器。其主頻可達(dá)60 MHz，內(nèi)部含有32位定時(shí)器，46個(gè)GPIO口，32位PWM，RTC以及I2C，SPI，UART通信接口等[10]。其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)的重要的組成部分，高效的軟件不僅能夠有助于體現(xiàn)智能手杖的功能特性，而且還能進(jìn)一步提高其精度、靈敏度。軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要在ADC轉(zhuǎn)換、3G無(wú)線通信、GPS定位等方面。

4.1 ADC轉(zhuǎn)換程序

ADC轉(zhuǎn)換所實(shí)現(xiàn)的功能是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的數(shù)字信號(hào)，在本系統(tǒng)中3處均用到。因此ADC轉(zhuǎn)換在本系統(tǒng)中作為一個(gè)重要的子程序。下面為傳感器CAV444的采集輸出子程序，需采用SPI總線方式讀取ADC結(jié)果。

4.2 3G通信程序

3G無(wú)線通信是實(shí)現(xiàn)智能手杖與位置管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的重要方式。

5 測(cè)試數(shù)據(jù)

電容傳感器CAV444的輸出電壓（分是否有手）經(jīng)ADS8325 ADC轉(zhuǎn)換為16位數(shù)值，根據(jù)16位數(shù)值推算出的轉(zhuǎn)換電壓與用五位半的數(shù)值萬(wàn)用表SDM3055測(cè)試，其測(cè)試情況如表1所示。

6 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能手杖采用微型化封裝的芯片、模塊，尺寸小、靈敏度高，能有效監(jiān)測(cè)老人是否摔倒等異常情況，并向家人及四周發(fā)出求助信息，使老人及時(shí)得到救助。

參考文獻(xiàn)

[1] 申秋紅.我國(guó)人口老齡化現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2014（7）：1?4.

[2] 黃毅，佟曉光.中國(guó)人口老齡化現(xiàn)狀分析[J].中國(guó)老年學(xué)雜志，2012，32（21）：4853?4855.

[3] 杜鵬.中國(guó)人口老齡化現(xiàn)狀與變化[J].中國(guó)社會(huì)保障，2013（11）：13?15.

[4] 易富賢.中國(guó)需正視人口危機(jī)，要果斷停止計(jì)劃生育[EB/OL].[2015?10?05]. http：//news.youth.cn/gn/201510/t20151005_7178265.htm.

[5] 楊鑫，袁伍，符長(zhǎng)友，等.物聯(lián)網(wǎng)智能手杖的應(yīng)用價(jià)值研究[J].電子制作，2014（22）：28.

[6] 王冠生，鄭江華，瓦哈甫·哈力克，等.盲人導(dǎo)航/路徑誘導(dǎo)輔具研究與應(yīng)用綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（12）：147?151.

[7] Analog Microelectronics GmbH. Datasheet of CAV444[EB/OL].[2017?02?21]. http：//www. alldatasheet.co.

[8] Anon. Shock sensor 801S specification [EB/OL]. [2013?02?11]. http：//www.100y.com.

[9] Texas Instruments Inc. Datasheet of TLV320AIC3254? Q1 [EB/OL]. [2013?08?12]. http：//www.ti.com.

[10] NXP Semiconductors Inc. Datasheet of LPC2124 [EB/OL]. [2013?08?22]. http：//www.nxp.com.