淺析智能鞋的研究

陳學忠 周命凱

【摘 要】隨著我國老年人的逐漸增多，社會已經(jīng)進入人口老年化，老人們怎樣能讓子女們安心的工作，怎樣能讓在百忙之中的子女們不擔心老人的安全，我們利用移動物聯(lián)網(wǎng)技術打造一個具有保暖，舒適，照明，定位，按摩，計步，語言，充電，智能提醒，摔倒報警于一體的多功能智能守護鞋。

【關鍵詞】智能；鞋子；定位；老人；足底按摩

百善孝為先，你可曾想過，當冬夏來臨時，有一雙空調鞋使您的父母腳下四季如春；當晚上走在一片漆黑的小巷時，有一雙鞋能照亮您父母前方的路；當有緊急電話時，有一雙鞋能通過振動鈴聲加閃爍及時提醒您的父母前來接聽；當您和父母游玩走散時，有一雙鞋能告訴你父母身在何處；更重要的是，當您父母摔倒，處于極度危險，需要人幫扶時，有一雙鞋能及時準確的感知并啟動報警器尋求幫助。種種的這些服務，只因有一雙智能鞋。

一、鞋子的由來

鞋子是怎么來的？最早的人類由于土地高低不平，氣候的嚴寒酷暑等，本能的想要保護自己的雙腳，為適應惡劣的自然環(huán)境環(huán)境，想辦法抵御外界的各種傷害，他們會就地取材，用手邊的大塊樹皮或樹葉，甚至是將野草墊于腳下，用植物枝條藤莖綁定固定，這就是大約出現(xiàn)在公元前8000年至公元前7000年最早的“涼鞋”。鞋子就是這樣產(chǎn)生的。

而在我國，鞋文化歷史源遠流長，據(jù)歷史考證，中國最早的一雙鞋子是從中國的新疆樓蘭出土的距今已經(jīng)四千年的羊皮靴，這雙羊皮靴，腳大估計是在23厘米，是穿在一個新疆18歲少女的女干尸的腳上的，這不僅是中國迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最早的一雙出土的鞋的實物，也是世界上最早的一雙出土的鞋子實物。

此后，鞋子的功能不斷增多，呈現(xiàn)出以下作用：

（1）功能性：穿鞋可以保護腳部較少接觸外界刺激，如刺傷、劃傷、燙傷、凍傷等；還可以通過穿鞋達到某些特定的效果，如增高等。

（2）美觀性：不同的季節(jié)、不同的款式，通過與衣飾搭配妝點外表；

（3）象征性：可以通過所穿鞋的檔次，體現(xiàn)個人身份、財富、實力等。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的進步，普通的鞋子已經(jīng)漸漸地滿足不了人們的需求，基于移動物聯(lián)網(wǎng)的新一代多功能智能鞋將是鞋業(yè)界的下一個發(fā)展方向。

二、智能鞋的介紹

智能鞋主要是為兒童和老人設計，以市場上普通鞋為基礎，融入GPS定位系統(tǒng)、微控制器、傳感器等核心技術，以及內置的動力系統(tǒng)、陀螺儀、壓力傳感、智能語音系統(tǒng)和第五代移動通信傳輸?shù)炔糠纸M成。采用GPS+LBS基站的定位技術，通過5G網(wǎng)絡實時傳輸數(shù)據(jù)至微服務器，并將信息實時傳送至手機APP，從而實現(xiàn)智能鞋。

定位功能：采用GPS+LBS基站的定位技術及第五代移動通信傳輸，能實現(xiàn)精確度米級別的定位并實時傳輸信息。

計步功能：采集智能鞋傳輸?shù)挠嫴綌?shù)據(jù)，通過手機APP能直接查看運動數(shù)據(jù)，便于監(jiān)護人了解老人和兒童當天的身體情況，進而分析并提出合理建議。

健康快報：采集用戶的心跳數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)及其他生理狀況信息，通過大數(shù)據(jù)+人工智能、結合邏輯回歸以及協(xié)同過濾等算法，對用戶的健康狀況評分，并提出醫(yī)師建議，促進健康生活。

防滑設計：鞋子底部采用SAFREE超耐磨橡膠大底，仿生章魚外觀吸盤設計，能夠讓鞋底具有很強的防滑效果。

照明閃光燈設計：智能鞋鞋底由LED燈環(huán)繞，可根據(jù)不同的場景手動或自動調節(jié)燈光照明。

保暖設計：互聯(lián)網(wǎng)通信技術離不開電能的供應，智能鞋配備一塊3400MA的優(yōu)質鋰離子電池用于供電，容量大，并配置抗壓保護殼，安全系數(shù)高，采用優(yōu)質的充電端口、可同時對一雙鞋子充電，充電端口防水設計，經(jīng)久耐用，性價比更高?？紤]到冬季嚴寒問題，老人家一般都有老寒腿，兒童上學靜坐教室易發(fā)冷。智能鞋的保暖設計將電能轉化為熱能，可以很好地解決冬季嚴寒問題。

警報設計：這是智能鞋的核心。世上沒有絕對的防御，即使防范的再好，意外任然在一旁虎視眈眈，若稍有不慎，危險就會到來。老人和兒童最怕的就是摔倒，磕磕碰碰，若摔倒的老人和兒童受傷，又無旁人相助或四面無人，時間久了，將可能面臨極大地生命危險。智慧鞋的警報系統(tǒng)能在人摔倒不起10秒后啟動。首先，自動撥打120救助電話，同時亮起智能鞋上的所有閃關燈，若在晚上能更快被發(fā)現(xiàn)；然后，響起警報以引來周圍的人前來幫助；最后，重復播放一段家人聯(lián)系方式的語言，以便周圍人能及時通知摔倒者的家人。

工作流程圖

三、智慧鞋的技術原理

定位系統(tǒng)由三部分組成：模擬傳導部分、信號輸出部分、設備控制部分。通過集成芯片將GPS，SIM卡，LBS基站等定位系統(tǒng)整合在了一起，通過包裝將定位模塊與之結合，并固定在鞋底，實現(xiàn)定位。

防滑設計方面，由于鞋底滑不滑，就是指鞋底與路面之間的摩擦力大不大。我們知道，兩個接觸物體之間的摩擦力取決于3個因素，物體表面的摩擦系數(shù)k，物體之間的接觸面積s，施加與物體上的壓力f。這三個變量越大，那么摩擦力也就越大。壓力f就是體重，體重不能輕易改變；再看接觸面積s，每個人的腳大小都是固定的，鞋子要合腳就不能做大，所以只能改變摩擦系數(shù)k，鞋底采用了摩擦系數(shù)大的牛筋鞋底軟度延展性好而且防滑，牢固不容易磨壞，深花紋，大大減少了滑到的情況。

最重要的是電路警報系統(tǒng)：整個報警器分為四個部分：SCA60C傳感器、檢測電路、音頻模塊和報警電路。

利用三軸加速度傳感器和陀螺儀采集人體腳步的運動信息，通過SVM和TA算法判斷老人是否跌倒以及跌倒的姿態(tài)。跌倒檢測判別單元采用MPU6050加速度傳感器采集腳步姿態(tài)信息。MPU6050內部集成用于加速度和角速度識別的三軸加速度傳感器和陀螺儀。其可通過軟件程序控制最大加速度測量值可達±16g，角速度最大感測值可達±2000°/sec（dps），可準確追蹤快速與慢速動作，對腳部的3個方向的加速度和傾斜角進行測量識別。將加速度 傳感器采集得到的3個方向的加速度合成成為信號向量幅值SVM，如下面公式（1）所示。

傾斜角TA表示老人腳步角度發(fā)生變化的幅度，意外跌倒過程中會使腳步產(chǎn)生較大的傾斜角，TA表達式如下所示：

因為老人在發(fā)生意外跌倒的情況較多，為了降低誤報率所引起的不必要干擾，提高檢測精度，算法以及SVM和TA值作為判斷依據(jù)，設定正常工作狀態(tài)下的閾值作為參考。若SVM和TA值不滿足閾值，此時將檢測后續(xù)一段時間10秒內的三軸加速度值是否正常，三軸加速度值不正常，將啟動警報系統(tǒng)。

健康快報實現(xiàn)：

1、數(shù)據(jù)采集：使用Flume數(shù)據(jù)采集技術將通過傳感器等獲取有效信息（計步數(shù)、血壓、心跳頻率、血脂等）存儲到指定目錄，并根據(jù)時間做分區(qū)；

2、數(shù)據(jù)清洗：將數(shù)據(jù)傳入Kafka緩存，再使用Strom技術消費Kafka中的數(shù)據(jù)做流式計算，得到指定規(guī)則數(shù)據(jù)；

3、指標分析：使用Spark Streaming技術對身體各項數(shù)據(jù)指標按照指定算法進行評分，并匹配ElasticSearch數(shù)據(jù)庫已有的專家意見內容，將分析結果存儲到Mysql數(shù)據(jù)庫；

4、結果展示：將結果數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)紸pp或PC端，分別展示動態(tài)結果；

四、智能鞋的現(xiàn)狀及趨勢

現(xiàn)在檢測人體跌倒的技術大致分為基于計算機視覺分析和基于穿戴傳感器式。目前國內對于老年人護理技術的研究大多數(shù)還處于被動的醫(yī)療護理階段。國內的產(chǎn)品還處于剛剛面試，產(chǎn)品完善階段，有很多問題需要不斷的探討與改進。

隨著生活水平的提高，我國人均壽命有了較大的增長，老年人口也隨之逐漸增多，根據(jù)我國第六次人口普查結果顯示，我國65歲以上老年人口已達1.2億，占總人口的8.87%。其中，年齡超過六十歲的人群占人口總數(shù)的13.26%，達到了1.7億。此外，我國老年人口數(shù)量還以每年0.3%到0.5%的速度增長，社會老齡化已經(jīng)越來越明顯。

老要有所依。根據(jù)研究調查，全國老齡化最嚴重的城市是上海市。2010年，上海市戶籍人口中因跌倒致死1983人，其中87.1%的為65歲以上老年人。此外，據(jù)醫(yī)院統(tǒng)計，因外傷前來就醫(yī)的老人有50%是由于跌倒所致，傷情嚴重住院的老人有80%是跌倒病例。據(jù)調查，我國每年有30%的65歲以上老年人會跌倒，80歲以上老年人更是有50%的會跌倒，擴大到全國，每年有超過兩千萬的老年人會因跌倒受傷?，F(xiàn)代人生活節(jié)奏快，子女上有老，下有小，壓力大，為生計奔波，分身無術，根本沒時間照看老人的起居，一旦不慎跌倒，無人發(fā)現(xiàn)，得不到及時治療，后果不堪設想。跌倒不僅僅給老年人的身體造成損失，更難以治愈的是心理狀態(tài)的打擊，會使老年人對跌倒產(chǎn)生恐懼，從而不敢進行活動，久而久之會使各項生理機能下降，產(chǎn)生惡性循環(huán)，加重跌倒幾率。另外，截止2011年，我國0-14歲的人口占到了16.6%，約2.2億。2016年5月到2017年5月，我國失蹤兒童共1317人，這也是一個不可忽視的社會問題。智能鞋將大有作為，市場前景。

五、結語

智慧鞋的出現(xiàn)，愿老人摔倒的情況不再發(fā)生，愿兒童失蹤的事件不再重現(xiàn)，愿天下父母都能團圓。讓幼真正有所養(yǎng)，老真正有所依。

【參考文獻】

[1]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]王國宏.半導體照明大功率LED進展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2004（6）：38-45.

[3]李孟思.基于移動終端的定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn).上海：上海大學.2010.

[4]黃自鑫.基于人體動作識別的可穿戴老人健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].武漢紡織大學。2016.

[5]李雅紅，魏卿，張文浩.基于Android的多功能老人智能鞋系統(tǒng)[J].智能計算機與應用.2017.7（3）：162-165.