拐杖式智能傘設(shè)計

梁健恒

（廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院，廣東 清遠 511510）

0 引 言

根據(jù)我國統(tǒng)計局的權(quán)威數(shù)據(jù)表明，直到2019年底，我國人口總量已經(jīng)突破14億人，其中老年人數(shù)高達2.54億人，老年人口占比達到18.1%，已經(jīng)逐漸步入了老齡化階段。人口結(jié)構(gòu)變化的同時，老年人的生命安全和健康狀況也越來越得到重視。

由于人工智能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)不斷優(yōu)化升級，大批的研發(fā)團隊抓住時代機遇，不斷地研發(fā)設(shè)計出應(yīng)用服務(wù)型智能產(chǎn)品，其中雨傘行業(yè)的制造商也不斷地推出新產(chǎn)品。為了解決市面上遮雨傘功能設(shè)計單一、缺乏市場競爭力等問題，本文專門設(shè)計研發(fā)一款適合老年人群體使用的智能晴雨傘。拐杖的發(fā)明給老年人群體的日常生活行動帶來了福音，但是他們的外出安全問題仍然值得關(guān)注，所以考慮到老年人的外出安全問題和生活需求，將智能傘和拐杖結(jié)合設(shè)計來解決和改善這些常見的問題。

1 總體方案

按照傘的用途分類不同，目前市面上的傘一般分為遮陽傘和遮雨傘。

相對于遮雨傘的用途來說，拐杖式智能傘的設(shè)計也會考慮防曬因素。為了滿足老年人群體的需要，傘的設(shè)計既要考慮滿足拐杖的輔助行走功能，也要滿足普通傘擋雨和防曬作用的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)夏日降溫、夜晚照明、健康檢測、定位報警、遠程監(jiān)護、電話求助等多媒體智能功能。智能傘外觀設(shè)計和功能結(jié)構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 拐杖式智能傘外觀和功能結(jié)構(gòu)

拐杖式智能傘的傘架部分用于輔助支撐老年人身體行走。在設(shè)計傘骨架結(jié)構(gòu)時，使用輕便結(jié)實、高強度、輕巧耐磨的合金骨架作為傘桿材料。無論烈日的暴曬還是雨天的淋刷，仍使得傘體具有良好的支撐和抗氧化作用。傘桿的底部安裝了4個防滑耐磨的橡膠底座，能與地面有足夠大的接觸面積，能夠增加與地面的摩擦力，有更好的抓地力，保證老年人步伐平穩(wěn)。另外，傘桿內(nèi)部作為電池倉，大大地減少傘體體積的同時，也增加了拐杖式智能傘架結(jié)構(gòu)的硬度。傘桿內(nèi)部的電池倉采用絕緣、防水的環(huán)氧樹脂灌注使得傘體各電路器件穩(wěn)定工作。風(fēng)扇電機作為傘桿其中的一部分，同樣采用環(huán)氧樹脂封裝以確保良好的防水、防摔和散熱，防止老年群體夏日中暑。

為了更好地防止紫外線照射人體，傘面采用市面上常用的190T黑膠碰擊面料，能更好地防曬、防中暑和雨天防水。傘面撐開半徑采用55～60 cm，在防雨的同時，可更好地進行防風(fēng)，可以減少了惡劣天氣帶來的安全隱患。傘面內(nèi)部的尼龍網(wǎng)狀面布能有效地防止異物進入風(fēng)扇電機，確保風(fēng)扇電機正常穩(wěn)定工作。

手柄位置作為拐杖式智能傘整體的控制單元，增大手握柄的面積，嵌入多功能集成電路，讓用戶更牢固地抓住手柄。手柄采用防滑耐磨的橡膠設(shè)計，使其具有良好的手握舒適性，給用戶帶來更好的體驗。手柄上設(shè)置了3個可操作按鈕，分別為一鍵緊急求助，風(fēng)扇、燈光照明切換按鈕和多媒體音樂播放按鈕。按鈕位置的合理設(shè)計有利于方便用戶操作，也利于在遇到緊急情況下通知他人求助。在手柄的前后端分別安裝了高清攝像頭和LED燈光照明功能，為晚上步行提供了安全條件，同時提醒路上行車司機留意，從而減少安全事故發(fā)生。在手柄的左右兩側(cè)專為老年人設(shè)計時間提醒和心率健康測量功能，可以提醒老年人有意識地關(guān)注自身健康狀況，避免意外的發(fā)生。

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體集團公司的ARM 32位Cortex-M3內(nèi)嵌入式增強型單片機STM32F103作為主控芯片。STM32F103具有512 KB的閃存，11個定時器，13個通信接口和3個ADC等可用資源，工作頻率可以達到72 MHz，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求。MCU作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)控制的核心，其需要與多種外部設(shè)備接口進行通信，達到人機交互、多功能的智能效果。其中主要硬件選用如下：

（1）本設(shè)計采用高性能的SIM800C集成模塊。該模塊具有工業(yè)級別的GPRS，可以支持工作在GSM 850～900 MHz或GSM 1 800～1 900 MHz的信號頻段內(nèi)，可以實現(xiàn)語言通話、短信收發(fā)和語音播報等功能。因此，SIM800C模塊適合用于本系統(tǒng)緊急求助功能設(shè)計。

（2）用于定位功能的硬件選用Alaentk公司生產(chǎn)的GPS加北斗雙模定位模塊S1216。S1216具有可快速實現(xiàn)定位、信號極好等優(yōu)點，定位精度在2.5 mCEP左右，更新速率最高達20 Hz，捕獲追蹤靈敏度在-165 dBm左右。S1216模塊采用NMEA-0183協(xié)議輸出GPS或北斗定位數(shù)據(jù)，并可以通過SkyTraq協(xié)議對模塊進行配置。本系統(tǒng)通過該模塊的串口發(fā)送TXD、串口接收RXD和PPS時鐘脈沖輸出腳進行信號通信，從而實現(xiàn)定位功能。

（3）用于娛樂功能的硬件采用NUBWO公司的eV4Wq音頻解碼器模塊，它集合了MP3、WAV音頻解碼，支持FAT32文件系統(tǒng)，采樣率支持48 kHz，動態(tài)范圍支持90 dB，信噪比支持85 dB的同時，還具有FM收音機等功能。

（4）對于攝像頭監(jiān)控功能，系統(tǒng)采用帶有FIFO的OV7670圖像傳感器模塊，它的VGA圖像最高達到30 f/s，具有靈活的圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，可以根據(jù)不同的需要進行設(shè)計，從而方便本系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

（5）系統(tǒng)電源的輸入/輸出管理采用由Everanalog集成電路有限公司設(shè)計的一款四通道電源管理芯片EA3059。EA3059集成了4個同步降壓調(diào)節(jié)器，適合由鋰離子電池或直流5 V適配器進行供電。電路在重載的情況下，仍能高效率地輸出，其最大峰值負載電流達到4 A。由于芯片內(nèi)部具有補償架構(gòu)控制，能大大地簡化外部電路，并且獨立的使能控制能很好地優(yōu)化電源控制。

（6）為了更好地將錄像視頻上傳到云服務(wù)器，將當(dāng)前所處的環(huán)境提供給緊急聯(lián)系人，這里采用物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞竭M行傳輸數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用Ai-thinker公司推出的一款ESP8266無線WiFi串口模塊，它是作為物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層，其功能是將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。ESP8266內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE 802.11b.g.n協(xié)議棧，以及TCP/IP協(xié)議棧，可將傳統(tǒng)的硬件外部設(shè)備嵌入WiFi模塊進行集成化。系統(tǒng)通過對WiFi模塊進行AT指令配置后，再與單片機進行串口通信，并利用WiFi信號接入互聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)了萬物互聯(lián)。

本文系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)模塊的功能具體如下：

（1）降溫濕度功能。若傘架處于打開狀態(tài)，MCU處于非低功耗待機時，檢測該按鈕的狀態(tài)信息在3 s內(nèi)是否被觸發(fā)1次，并通過內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換后讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前溫度是否超過預(yù)設(shè)定的危險額定值。經(jīng)MCU分析選擇是否開啟風(fēng)扇降溫，以避免環(huán)境溫度過高，造成電機高負荷運轉(zhuǎn)而損壞電路。

（2）夜晚照明功能。傘架處于打開狀態(tài)，MCU處于非低功耗待機時，檢測按鈕的狀態(tài)信息在3 s內(nèi)是否被觸發(fā)2次，經(jīng)MCU分析選擇是否開啟高亮度的LED燈光照明。若傘架在合攏狀態(tài)下，同樣MCU處于非低功耗待機時，檢測按鈕的狀態(tài)信息在3 s內(nèi)只需被觸發(fā)1次就可開啟燈光照明，為老年人照亮回家的道路。

（3）緊急求助功能。當(dāng)緊急求助按鈕被觸發(fā)時，MCU無論在低功耗待機模式還是處于正常模式，報警信號燈SOS亮起的同時，高音喇叭也啟動工作并且MCU及時觸發(fā)GPS模塊工作并讀取GPS當(dāng)前的位置信息，MCU控制GPRS模塊向預(yù)設(shè)的指定手機用戶發(fā)送定位和求助電話，從而確保老年人的人身安全。同時，MCU控制開始啟動攝像頭進行循環(huán)錄像模式，并把錄像視頻存入系統(tǒng)的存儲器，為人身安全提供保障。

（4）遠程監(jiān)控功能。當(dāng)系統(tǒng)的緊急求助功能被喚醒后，遠程監(jiān)控功能也同時被觸發(fā)，系統(tǒng)喚起GPRS模塊通知預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人登陸云服務(wù)器平臺，通過系統(tǒng)內(nèi)置的ESP8266無線WiFi網(wǎng)絡(luò)連接公網(wǎng)，從而幫助緊急聯(lián)系人遠程實時查看監(jiān)控，快速判斷老人家所處環(huán)境的安全狀況。同時，遠程監(jiān)控功能的監(jiān)控錄像也會被MCU控制寫入存儲器內(nèi)部保存。

（5）定位報警功能。MCU通過不斷地檢測系統(tǒng)內(nèi)置的角度傳感器，若經(jīng)過分析處理角度傳感器、陀螺儀的數(shù)值出現(xiàn)非尋常的變化時，比如老人摔倒等情況，MCU將會觸發(fā)GPS模塊工作并讀取GPS當(dāng)前的位置信息，MCU控制GPRS模塊向預(yù)設(shè)的指定手機用戶發(fā)送定位、時間、摔倒次數(shù)、系統(tǒng)電量等信息，以便緊急聯(lián)系人可以快速地了解老年人目前的狀況。

（6）健康檢測功能。該功能作為老年人外出前進行的一項簡單的檢測身體健康評估。該功能的使用方法是雙手分別握住手把柄處安裝的手握式心率測量傳感器芯片ZH0710，等待數(shù)秒后即可看到目前的心率情況。其工作原理大致過程為人體心肌產(chǎn)生的電信號通過兩個手掌傳遞到系統(tǒng)的兩片電極上，將信號差通過多級放大、濾波、R波檢測與信號整形后傳到MCU進行處理數(shù)據(jù)分析，再通過液晶顯示屏顯示出心率值。

（7）娛樂多媒體功能。娛樂作為老年群體退休生活的一部分，例如下象棋、喝早茶、聽音樂等娛樂項目。為了滿足老年人的娛樂生活需要，系統(tǒng)嵌入了MP3音頻播放器，可本地播放音樂，也可聽電臺收音機。當(dāng)MCU處于非低功耗待機時，若檢測該按鈕在3 s內(nèi)被觸發(fā)1次的狀態(tài)信息時，MCU將發(fā)送操作指令信號到DSP音頻解碼芯片進行對本地存儲器的歌曲進行播放。若檢測該按鈕在3 s內(nèi)被觸發(fā)2次時，MCU將發(fā)送操作指令驅(qū)動TEA5767數(shù)字調(diào)諧FM立體聲收音機集成電路芯片工作，可以通過長按按鈕進行頻道搜索收音，提高了老年人的娛樂生活質(zhì)量。

（8）電源管理功能。電源作為電路能量的主要來源，既要保持良好的功率輸出，也要具有很好地電源管理能力。MCU通過控制電源管理芯片的使能端與各個外部設(shè)備進行通訊，系統(tǒng)電路配合著溫度傳感器的使用，能更好地防止電路短路故障或部分用電設(shè)備高負荷運作引起危險的發(fā)生。電源有足夠的能量為電路提供正常工作的條件時，電源管理芯片將會實時監(jiān)測著電路工作狀態(tài)。當(dāng)電源供電不足時，電源管理芯片將會告知MCU當(dāng)前電路電壓狀態(tài)，并使系統(tǒng)電路進入低功耗模式，延長電路工作時間。

（9）時間提醒功能。對于老年人而言，時間只是個提醒的工具，不必要非常詳細地了解當(dāng)前具體時間。但是因為多數(shù)的老年人沒有隨身攜帶智能手機的習(xí)慣，所以時間觀念也是一個重要的問題。為了方便老年人的生活作息習(xí)慣，系統(tǒng)擴展了時鐘提醒功能，可以隨時查看目前的時間，便于生活娛樂節(jié)目的管理。

（10）障礙檢測功能。為了更好地輔助老年人群體行走，拐杖式晴雨傘采用AGV無人搬運車對障礙物的檢測方案進行對前方障礙物檢測。利用超聲波測距的方式，MCU采集到量化的間隔信號作為距離障礙物遠近的信息。當(dāng)障礙物更靠近拐杖式晴雨傘時，蜂鳴器會發(fā)出急促的滴滴聲提醒，當(dāng)免除障礙物后，MCU自動恢復(fù)正常的檢測狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分采用C語言設(shè)計編寫。C語言具有簡潔方便、靈活的語法結(jié)構(gòu)、代碼與數(shù)據(jù)可分離設(shè)計等特點，也是STM32系列嵌入式單片機常用的設(shè)計語言。第三方公司已經(jīng)把各個寄存器封裝成庫函數(shù)，在很大程度地減少開發(fā)者的開發(fā)難度和代碼的冗余性，更好地使程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，便于日常維護和今后移植開發(fā)。本系統(tǒng)軟件運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件運行流程

Main函數(shù)作為程序的主入口，通過調(diào)用第三方公司封裝好的操作寄存器、時鐘等函數(shù)以及將各個外部設(shè)備進行系統(tǒng)初始化，其中包括GPS模塊、GPRS模塊、攝像頭模組、陀螺儀、心率模塊、電機、LED、音頻等外部設(shè)備接口進行復(fù)位。同時，電源管理芯片配合溫度傳感器測量系統(tǒng)初始化時的溫度并將溫度值保存為參考溫度。等待系統(tǒng)初始化完成后，進入功能按鍵檢測的程序。該程序可以細分為5小塊，分別為多媒體功放模塊、緊急求助模塊、風(fēng)扇和照明模塊、摔倒檢測模塊和心率監(jiān)測模塊。下面分別敘述各個功能模塊的執(zhí)行流程。

（1）多媒體功放模塊

經(jīng)過功能按鍵檢測后，如果多媒體按鍵在3 s內(nèi)被觸發(fā)1次，將進入DSP的音頻解碼子程序內(nèi)部，并對本地存儲器存放的文件目錄進行遍歷一遍，按照歌曲的命名規(guī)范進行多曲循環(huán)播放。若MCU檢測多媒體按鍵在3 s內(nèi)連續(xù)被觸發(fā)2次時，系統(tǒng)程序?qū)⒈惶D(zhuǎn)進入中斷程序標(biāo)記當(dāng)前用戶操作狀態(tài)后，程序退出中斷程序，進入收音機頻道進行播放頻道信息。若此時長按該按鈕，程序?qū)⑦M入選擇頻道模式。此時，如果繼續(xù)連續(xù)觸發(fā)該按鈕3次，則程序跳出該模塊的程序，重新回到功能按鍵檢測程序中。

（2）緊急求助模塊

經(jīng)過功能按鍵檢測后，如果用戶按下緊急求助按鈕，系統(tǒng)的最高優(yōu)先級中斷程序被觸發(fā)。系統(tǒng)進入GPS的子程序中，對當(dāng)前的位置信息進行處理，并由MCU分析當(dāng)前數(shù)據(jù)是否由于誤觸發(fā)引起數(shù)據(jù)異常。若判斷得出為可疑數(shù)據(jù)，則重新回到GPS的子程序開始進行重新獲取位置信息，并把位置數(shù)據(jù)通過短信的形式下發(fā)到緊急聯(lián)系人中進行數(shù)據(jù)信息的備份。若數(shù)據(jù)判斷為可信數(shù)據(jù)，則程序執(zhí)行GPRS的子程序入口，MCU將獲得的位置信息通過GPRS以短信和電話的方式發(fā)送給緊急聯(lián)系人。此后，程序跳轉(zhuǎn)到錄像監(jiān)控的子程序內(nèi)，對環(huán)境進行循環(huán)錄像。一方面將錄像資料備份到系統(tǒng)的存儲器中；另一方面通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像上傳至云服務(wù)器，便于緊急聯(lián)系人查看。同時，報警信號燈和高音喇叭開始工作。

（3）風(fēng)扇和照明模塊

經(jīng)過功能按鍵檢測后，如果用戶按下照明和風(fēng)扇按鈕時，程序?qū)慵苌系南尬婚_關(guān)的狀態(tài)進行讀取。若傘架是合攏狀態(tài)時，程序?qū)⒅匦禄氐焦δ馨存I檢測，防止電機啟動損壞系統(tǒng)元件。若傘架是打開狀態(tài)，程序?qū)语L(fēng)扇電機啟動。此時，若連續(xù)觸發(fā)該按鈕兩次，程序?qū)⑼Ｖ闺姍C運轉(zhuǎn)，開啟照明。若再次連續(xù)觸發(fā)該按鈕三次，程序?qū)㈥P(guān)閉照明和風(fēng)扇。同時電源管理芯片也實時監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊的工作狀態(tài)，以免由于MCU判斷失誤，造成意外發(fā)生。

（4）摔倒檢測模塊

經(jīng)過功能按鍵檢測后，MCU檢測發(fā)現(xiàn)按鈕未被按下的情況下，若電源管理芯片監(jiān)控得到陀螺儀模塊的耗電大，此時程序進入陀螺儀傳感器的執(zhí)行程序中讀取前后角度的數(shù)值。若比較前后兩次的數(shù)值發(fā)現(xiàn)差值較大，則MCU重新獲取GPS的位置信息，并體內(nèi)各個GPRS發(fā)送定位短信告知緊急聯(lián)系人。否則，系統(tǒng)將重新回到功能按鍵檢測程序。

（5）心率監(jiān)測模塊

經(jīng)過功能按鍵檢測后，MCU檢測發(fā)現(xiàn)按鈕未被按下的情況下，若MCU檢測到心率傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則系統(tǒng)進入測量心率的服務(wù)程序。若判斷用戶測量心率時，雙手握住傘柄的動作不規(guī)范，程序?qū)⒅匦禄氐綔y量心率的程序入口，提醒用戶重新規(guī)范測量姿勢。若MCU判斷為規(guī)范動作，則系統(tǒng)將開始今昔測量心率。等待數(shù)秒系統(tǒng)測試完成后，經(jīng)過MCU的分析判斷當(dāng)前測量的心率數(shù)值是否為正常值范圍內(nèi)。如果心率數(shù)值不在正常值范圍內(nèi)，則系統(tǒng)將提醒用戶重新測量。如果心率數(shù)值將在正常的范圍內(nèi)，系統(tǒng)將通過液晶顯示屏顯示測量的心率。另外，系統(tǒng)將通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，以便緊急聯(lián)系人了解查看使用者的身體狀況。最后系統(tǒng)將退出心率監(jiān)測，重新回到功能按鍵檢測程序。當(dāng)用戶長時間沒有觸發(fā)系統(tǒng)的外部設(shè)備情況下，MCU將進入低功耗模式，電源管理芯片將起著重要的作用。一方面減少系統(tǒng)不必要的電量耗費，另一方面隨時等待系統(tǒng)被喚醒，進入正常的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 語

為了保障老年群體的外出安全和健康，本文結(jié)合老年群體的生活習(xí)慣和興趣愛好，充分地從老年人身體素質(zhì)的角度考慮，并且聯(lián)合目前的科技水平，解決傳統(tǒng)雨傘在生活使用上的缺陷外，把拐杖的優(yōu)勢嵌入傘內(nèi)，重新打造出一款拐杖式智能傘。它的智能之處在于系統(tǒng)融入了多種功能，這諸多功能表現(xiàn)在傘體內(nèi)嵌入多種傳感器，通過多種傳感器的配合使用，能實時檢測老年人所處的周圍環(huán)境變化，并通過嵌入式單片機分析處理得出最后結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的程序操作，以達到及時提醒緊急聯(lián)系人的目的。拐杖式智能傘的設(shè)計給老年人群體帶來了很多的便利，它既能充當(dāng)拐杖的輔助行走用途，也可以起到遮光擋雨傘的作用，并且集合了多媒體功能，讓老年群的生活不再枯燥乏味。