基于老年人群體的智能拐杖設計

毛麗鳳，林君濠，嚴珩洋，劉李龍

（廣東職業(yè)技術(shù)學院，廣東佛山，528000）

1 設計方案的提出

現(xiàn)階段，我國已經(jīng)進入老齡化社會，老齡化問題給社會和家庭帶來了巨大的壓力。老年人隨著年齡的增長，腿腳越來越不靈活，記憶力逐漸衰退，出門不便，容易出現(xiàn)摔倒和走失，所以經(jīng)常在電視和網(wǎng)絡上看到摔倒長時間無人扶起，以及尋找走失老人的新聞。針對以上情況，本文是基于老年人群體而設計的智能拐杖。

2 系統(tǒng)方案

本文以STC89C52為主控件，設計了一款具有GPS定位、GSM短信傳輸、報警系統(tǒng)、LED照明、MP3等多功能智能拐杖，該設計操作簡單、成本低、具有較強的實用性和市場價值。

■2.1 主要功能、指標與實現(xiàn)原理

(1)GPS定位：拐杖系統(tǒng)內(nèi)置GPS定位功能，能實時獲取老人所處的位置，家人可以及時關(guān)注到老人的行蹤軌跡；如果老人不慎走失或者迷路，可以通過按鍵，立刻即可獲得位置，以免緊急情況發(fā)生。

(2)GSM短信傳輸：拐杖采用GSM模塊SIM800，具有基于GSM網(wǎng)絡進行通信的所有基本功能，能將獲取的老人位置經(jīng)緯度信息通過短信的形式，發(fā)送給緊急聯(lián)系人，便于快速找到老人。

(3)報警系統(tǒng)：報警系統(tǒng)含1個紅色LED指示燈和1個蜂鳴器，當老人摔倒的時候，或者需要幫忙的時候，可以按下按鍵發(fā)出警報，報警時，紅色 LED指示燈點亮，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出警報聲，目的是讓周圍的人及時發(fā)現(xiàn)需要尋求幫助的老人。

(4)四輪底座結(jié)構(gòu)可防摔倒、助扶、掛物件：四輪底座結(jié)構(gòu)的設計本身具有較高的穩(wěn)定性，在老人倚靠在該拐杖上，不至于傾斜，仍然能夠保持較高的平衡性，且輪子結(jié)構(gòu)具有助扶作用，在老人起身時，可以幫助老人站起。輪子具有剎車功能，老人在歇息時，可將拐杖輪子制動，用于掛放隨手攜帶的外套或物件。

(5)小藥箱的人性化設計：在拐杖中部，設計1個小藥箱，放一些急用的備用藥，在老年人外出時遇到緊急情況可隨時隨地取用，比如救心丸、創(chuàng)可貼等，體現(xiàn)了設計對老年人的關(guān)懷。

(6)MP3：內(nèi)置MP3功能，滿足老年群體日常娛樂所需，陪伴他們的日常生活，無需另外再攜帶其他播放器，減輕出行負擔。

(6)LED照明：拐杖內(nèi)置10mm的LED白燈，相當于多了一個照明的手電筒，在晚上或者燈光昏暗的環(huán)境起到照明作用，防止老人因為看不清而摔倒。

■2.2 硬件框圖設計

該系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)電路、GPS模塊電路、GSM模塊電路、報警電路、MP3、LED照明及按鍵電路等組成，控制核心為單片機。系統(tǒng)硬件框圖設計如圖1所示。

整個系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：

(1)GPS模塊電路

本系統(tǒng)使用的GPS模塊具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面，在普通GPS 接收模塊不能定位的地方，如狹窄都市天空下、密集的叢林環(huán)境，本系統(tǒng)模塊都能高精度定位。模塊接口原理圖如圖2所示。

圖2 GPS模塊接口電路原理圖

(2)GSM模塊電路

本系統(tǒng)采用GSM模塊SIM800，具有基于GSM網(wǎng)絡進行通信的所有基本功能，

模塊接口原理圖如圖3所示。

圖3 GSM模塊接口電路原理圖

(3)報警系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)所采用的報警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012來驅(qū)動，只要單片機控制引腳為低電平，蜂鳴器就會鳴叫報警，反之則不鳴叫，可以通過控制單片機引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。電阻為限流電阻，保護作用。電路設計如圖4所示。

圖4 蜂鳴器報警電路原理圖

(4)MP3語音模塊

MP3電路選用JR6001芯片，帶USB可直接更新曲庫，支持兩線串口控制。芯片通過外接按鍵控制音量減小、音量增大、上一曲、下一曲、播放/暫停，連接方式如圖5所示。

(5)LED照明電路

選用超高亮10mm的發(fā)光二極管LED白燈，相當于拐杖多了一個照明的手電筒，接口原理圖如圖6所示。

圖5 JR6001按鍵接線圖

圖6 LED照明電路原理圖

■2.3 外觀設計

本次設計的老年人智能拐杖外觀如圖7所示。

圖7 老年人智能拐杖外觀設計

（1）外形

老年人智能拐杖的外形，遵從產(chǎn)品本身固有形態(tài)，主要是從原有的普通拐杖形狀演變而來，在細節(jié)方面設計突顯不同。此次設計的老年人智能拐杖，風格既經(jīng)典又時尚，在充滿科技感的同時又保證其功能實用性。根據(jù)人機工程學原理，設計成有弧度的握柄，讓使用者握持更舒服，用著更舒心。

（2）顏色

在高科技百花爭艷的年代，年輕人的產(chǎn)品形形色色，對于老年人產(chǎn)品的色彩搭配也不能忽視。色彩往往比形態(tài)更具吸引力，這也是影響工業(yè)產(chǎn)品造型設計的一個非常重要的方面。本款老年人智能拐杖選用黑色搭配中國紅。黑色彰顯出一種樸實的高貴，給人沉著、穩(wěn)重的感覺。紅色，意味著平安、吉慶、福祿、康壽。

（3）材質(zhì)

材料的運用也是影響設計的一個重要因素，本款老年人智能拐杖主要使用的材料就是PC材料。PC材料作為被世界范圍內(nèi)廣泛使用的材料，有著其自身的特性和優(yōu)缺點，是一種綜合性能優(yōu)良的非晶型熱塑性樹脂，具有優(yōu)異的電絕緣性、延伸性、尺寸穩(wěn)定性及耐化學腐蝕性；還具有可著色等優(yōu)點。

（4）四腳輪底座結(jié)構(gòu)

從智能拐杖的外觀圖可以看出，底座為四腳輪結(jié)構(gòu)，且附帶剎閘功能，老年人在行走時可以推動輪子，毫不費力；設計本身具有較高的穩(wěn)定性，在老人倚靠在該拐杖上，不至于傾斜，仍然能夠保持較高的平衡性；輪子結(jié)構(gòu)具有助扶作用，在老人起身時，可以幫助老人站起；剎車功能，老人在歇息時，可將拐杖輪子制動，用于掛放隨手攜帶物件。

3 系統(tǒng)測試

■3.1 GPS/GSM模塊

系統(tǒng)上電后，每到設定的時間間隔，即向指定手機發(fā)送當前的定位數(shù)據(jù)一次；當緊急情況發(fā)生時，可隨時摁下按鍵，GSM立即將當前的GPS定位數(shù)據(jù)發(fā)送到指定手機上。家人可通過定位數(shù)據(jù)，查詢到老人所在的位置。GPS/GSM模塊測試過程，如圖8所示。

圖8 GPS/GSM模塊測試

當系統(tǒng)上電，電源指示燈點亮，GPS狀態(tài)指示燈綠燈閃爍，表示定位成功；黃燈點亮時，系統(tǒng)將GPS信息通過GSM短信模塊發(fā)送到指定手機上，指定聯(lián)系人獲取GPS短信，如圖9所示。

圖9 GSM短信傳輸內(nèi)容

通過經(jīng)緯度地圖獲取位置，如圖10所示。

圖10 通過短信獲取具體位置

■3.2 報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)含1個紅色LED指示燈和1個蜂鳴器，當老人摔倒的時候，或者需要幫忙的時候，可以按下按鍵，發(fā)出警報，報警時，紅色 LED指示燈點亮，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出警報聲，目的是讓周圍的人及時發(fā)現(xiàn)需要尋求幫助的老人。測試效果如圖11所示。

圖11 報警系統(tǒng)模塊測試

■3.3 LED照明

拐杖內(nèi)置10mm的LED白燈，相當于多了一個照明的手電筒，在晚上或者燈光昏暗的環(huán)境起到照明作用，測試效果如圖12所示。

圖12 LED照明測試

4 特色

通過與相關(guān)專利、刊物、碩博士論文以及市場上同類型產(chǎn)品的相關(guān)查詢與對比，總結(jié)有一下幾點特色：

(1)GPS定位系統(tǒng)實時獲取老人所在位置。綜合應用MCU控制、GPS定位、GSM短信傳輸?shù)燃夹g(shù)，最終制作成智能定位報警拐杖。實時記錄老年人出行軌跡，快速的知道老人的具體位置，便于監(jiān)護人監(jiān)控和尋找。

(2)四輪底座結(jié)構(gòu)可有效防摔倒、助扶、掛物件。四輪底座結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，即使老人完全倚靠在該拐杖上，仍然能夠保持較高的平衡性，不至于傾斜，且輪子結(jié)構(gòu)具有助扶作用，在老人起身時，可以幫助老人站起。輪子附帶剎車功能，老人在歇息時，可將拐杖輪子制動，用于掛放隨手攜帶的外套或物件。

(3)MP3播放音樂。不需額外佩帶播放音樂設備，滿足老人日常娛樂需求。

(4)小藥箱的人性化設計。在拐杖中部，設計1個小藥箱，放一些急用的備用藥，在老年人外出時遇到緊急情況可隨時隨地取用，比如救心丸、創(chuàng)可貼等，體現(xiàn)了設計對老年人的關(guān)懷。