智能化行程記錄手杖的設(shè)計與研究

姚博文,施 夏,劉宇澳

(?？诮?jīng)濟學院,海南 ?？?570000)

0 引言

隨著世界人口的快速增長,人口數(shù)量也在穩(wěn)步增加,相比傳統(tǒng)的普通手杖,目前市面上的智能手杖雖然內(nèi)置了一些功能部件,比如防滑、照明、收音機等,但是功能還需要改進。 例如:當老人發(fā)生異?；蛞馔馇闆r時,手杖未能向周圍和家人發(fā)出求救信號,導致老人無法及時獲得救援,需要特殊的智能手杖來幫助老年人安享晚年,準確識別老人異?；蛲话l(fā)事故或身體不適,自動向周圍發(fā)出求救信號,讓老人在最短的時間內(nèi)得到幫助,讓家人了解老人的情況,并及時撥打“120”等救助電話。

1 智能化手杖工作原理及結(jié)構(gòu)

智能手杖主要由整個智能拐杖系統(tǒng)控制、監(jiān)測運動狀態(tài)的傳感器、滿足實際環(huán)境要求的人機界面、便于與移動終端進行信息傳輸?shù)臒o線通信模塊、數(shù)據(jù)信息閃存模塊、RTC 時鐘模塊控制器、傳感器、存儲和判斷程序行為的無線通信模塊組成。 智能手杖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能手杖結(jié)構(gòu)

智能手杖的無線充電插座用于補充智能手杖的電量,將無線充電器的卡槽插入智能手杖,即可立即充電。 當老人使用智能手杖時,無線充電器關(guān)閉卡槽,充電停止。

電源模塊用于為設(shè)備提供電能,包括光電轉(zhuǎn)換、動能轉(zhuǎn)換、電池供電、充電及儲能管理、可控穩(wěn)壓電路。數(shù)據(jù)信息可通過電源模塊輸入,以保證電源的持續(xù)供電。

控制器模塊根據(jù)傳感器的狀態(tài)獲取設(shè)備當前情況,監(jiān)測老人是否跌倒、搖晃的次數(shù)。 傳輸信息通過無線通信模塊控制RTC 實時時鐘,可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時間,RTC 實時時鐘也可以在斷電的情況下由電池供電。

人機界面模塊用于為老人提供報警聲、光信號。喇叭提供報警聲和時間提醒。 LED 顯示報警光信號和低電量信號,以了解意外警報信息、低電池電壓信號等情況。

閃存模塊用于存儲所有有效信息,例如存儲定期發(fā)送給老人的數(shù)據(jù)信息以及智能拐杖觸地后的報警信息,并實時傳輸給控制器模塊進行計算。

傳感器模塊用于記錄老人的運動狀態(tài)數(shù)據(jù),運動狀態(tài)具體包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)采集和重力方向傳感器數(shù)據(jù)采集。

無線通信模塊用于提供包括數(shù)據(jù)和RSSI 在內(nèi)的無線廣播信號,實現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。 移動終端(如手機)中的App 可以遠程監(jiān)控和跟蹤智能拐杖。 相關(guān)信息通過狀態(tài)輸出終端實時傳遞給控制器。 當老人遇到突發(fā)情況,監(jiān)護人可以通過手機端App 了解老人的當前狀態(tài)[1]。

2 智能手杖設(shè)計目的

智能手杖的設(shè)計目的如下:(1)通過盲導系統(tǒng)中的超聲波結(jié)合聲波和紅外線檢測障礙物,使用戶能夠看到前方的道路,更準確地躲開障礙物。 (2)為了讓用戶記錄每天的路線或查看用戶的實時情況,路線記錄系統(tǒng)允許攝像頭記錄當天發(fā)生的一切,并將其保存到SD卡中。 智能手杖隨時遠程監(jiān)控用戶情況,了解現(xiàn)場狀況或現(xiàn)場的場景。 (3)蜂鳴器警告系統(tǒng)和燈光可以幫助用戶在夜間使用時警告別人或吸引別人的注意力[2]。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

手杖配備了GPS 模塊、GPRS 手機通信模塊、MP3播放控制模塊等,側(cè)面有信標、控制按鈕,背面有揚聲器,內(nèi)置GPS 定位模塊和GPRS 通信模塊。 智能手杖總體結(jié)構(gòu),如圖2 所示。 導游可隨時定位每個游客的行蹤并保持聯(lián)系。 當發(fā)生危機時,游客可以得到及時的救助[3]。

圖2 智能手杖總體結(jié)構(gòu)

3.1 主要部分設(shè)計

防滑手柄在整個搖桿的頂部,LED 燈在防滑手柄的正面,控制開關(guān)在頂部中央。 考慮到不同老人的手型和手掌粗細,防滑握把采用人體工學原理,引入個性化設(shè)計,根據(jù)老人握持習慣,表面磨砂。 防滑手柄擁有MP3 模塊、FM 收音機和STM32 控制器。 所有物理按鍵都在防滑握把上。 為增加實用性,外部采用PC 材料制成。 外部添加了磨砂飾面以增加安全性。

管道伸縮桿由兩部分組成,上粗伸縮桿與防滑把手頂部相連,下細伸縮桿為防滑把手下部,配有減震防滑橡膠墊。 兩根伸縮桿中間用固定螺母連接,粗壯的伸縮桿有多個可調(diào)節(jié)定位孔。 智能手杖縮回最短63 cm,最長97 cm。 伸縮桿1 外徑22 mm,內(nèi)徑20 mm;伸縮桿2 外徑19 mm,內(nèi)徑17 mm。 伸縮桿高度(10級)可調(diào),兩個調(diào)節(jié)孔的中心距為25 mm。

管道縮桿材質(zhì)型號為5052-H112。 長度允許偏差±0.5 mm,柱長允許偏差±1.0 mm,端坡允許偏差-1.5 mm,孔位允許偏差±0.5 mm;毛刺必須去除。 沉孔缸蓋和螺釘?shù)某叽绫仨毞舷嚓P(guān)規(guī)定國家標準。

3.2 減震防滑腳墊設(shè)計

減震防滑腳墊附在底部伸縮桿上,其主要作用是吸收震動,增加桿與地面的摩擦力,防止老人滑倒。 減震防滑腳墊所用材料一般可分為以下幾種:醋酸硅橡膠塑料墊片、丁基橡膠塑料墊片、丁腈橡膠塑料墊片、三元二氯乙丙橡膠塑料墊片、氯丁橡膠塑料墊片、聚氨酯丁腈橡膠塑料墊片、氫化氯丁橡膠塑料密封件和氟化硅橡膠塑料密封材料密封件。

4 智能手杖核心功能設(shè)計

老人智能手杖應(yīng)減少一些娛樂功能,而主要關(guān)注老人的安全需求,如對未知環(huán)境危害的檢測和預(yù)警,突然跌倒時的報警和幫助。 (1)危害監(jiān)測預(yù)警。 使用大數(shù)據(jù)分析,監(jiān)測用戶自身健康和環(huán)境;提醒用戶達到有效規(guī)避危險的效果。 手杖配有壓力傳感器和熱敏電阻,可以隨時隨地監(jiān)測老人的心率、血壓等身體指標。手杖附有超聲波掃描儀,檢測身體環(huán)境,分析評估障礙物的危險。 (2)跌倒報警和求助。 手杖監(jiān)測老年用戶跌倒動作,跌倒后立即報警,通知親屬和最近的醫(yī)療機構(gòu),手柄有加速度計和磁傳感器。 前者采集人體三軸加速度數(shù)據(jù),后者采集人體軀干傾斜信息和老年人跌倒情況。 手杖發(fā)現(xiàn)用戶的位置和跌倒信息,可以通過遠程傳輸設(shè)備傳輸?shù)竭B接的移動設(shè)備[4]。

5 智能化手杖硬件設(shè)計

多功能智能拐杖主要采用單片機技術(shù),具有紅外測距、報警、傾斜等功能。 智能拐杖的硬件主要由角度傳感器、熱釋電傳感器、蜂鳴器和89S52 組成。 系統(tǒng)硬件設(shè)計,如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

電磁蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線圈、振膜、磁鐵和外殼等組成。 當開關(guān)打開時,音頻信號電流從振蕩器通過螺線管流動,產(chǎn)生一個磁場和振動膜片周期性振動,相互作用時發(fā)出聲音。 因為蜂鳴器需要一定的電流來驅(qū)動,單片機I/O 管腳的輸出電流很小,所以單片機的TTL 輸出電壓基本不能驅(qū)動蜂鳴器,于是在蜂鳴器上加了一個三極管,蜂鳴器的正極接VCC 蜂鳴器的負極,蜂鳴器的負極接三極管的發(fā)射極E,控制基極B 為電流從P33 腳通過限流電阻R7 連接。 此時,單片三極管Q2 正常關(guān)斷后,線圈無電流流過,蜂鳴器不響。 當P3.3 輸出低電平時,三極管導通時,蜂鳴器電流循環(huán)并發(fā)出聲音。 用戶可以使用程序控制蜂鳴器的聲音。

人體熱釋電紅外傳感器工作原理基于熱釋電效應(yīng)。 人體的體溫恒定在37 ℃左右,所以它通過發(fā)射約10 μm 的紅外光來工作。 紅外感應(yīng)源采用了熱釋電元件,通過菲涅耳濾光片放大約10 μm 的紅外線并將其集中在紅外感應(yīng)源上。 人體一進入感應(yīng)區(qū)域,人體的紅外線就聚焦在鏡面上,報警信號經(jīng)單片機處理后,由熱釋電元件接收。

6 系統(tǒng)軟件功能

智能拐杖軟件主要包括復位設(shè)置、GPS 定位設(shè)置、在線監(jiān)控、電子圍欄、家庭號碼設(shè)置、幫助等功能。

根據(jù)個人情況填寫相應(yīng)的內(nèi)容,確保手杖上安裝的GPS 定位功能已打開,根據(jù)GPS 位置確定手杖的位置。 當手杖傾斜時,蜂鳴器響起,硬件電路會打開報警。 1 分鐘后,硬件電路電機自動撥打預(yù)設(shè)電話以獲取進一步幫助。 用戶也可以在設(shè)置界面使用電子圍欄,超過設(shè)置范圍時會顯示報警提示。

GPS 定位分為在線監(jiān)測和電子圍欄設(shè)置兩部分。在線監(jiān)控功能可以通過3 種方式找到用戶:地圖、衛(wèi)星和3D。

行程記錄系統(tǒng)主要由攝像頭、移動家庭終端和存儲功能組成。 當用戶打開設(shè)備時,該功能可正常使用。手杖通過攝像頭記錄用戶每天的出行路線。 用戶不僅可以遠程查看用戶端發(fā)生的事情,還可以通過記憶功能保存重要數(shù)據(jù)。 對于老年人或患有癡呆癥、健忘癥的人,家屬可以通過攝像頭和GPS 定位系統(tǒng)看用戶所在位置和現(xiàn)場情況,以便更快地找到用戶并將風險降至最低限度。 路線記錄儀可以記錄用戶所發(fā)生的一切,還可以通過攝像頭功能記錄路上的美景。

7 智能手杖市場調(diào)研

本研究收集淘寶購物平臺信息,統(tǒng)計產(chǎn)品特點及價格,選擇有代表性的產(chǎn)品進一步分析優(yōu)缺點。 經(jīng)調(diào)查,部分調(diào)查者有摔倒的情況,部分調(diào)查者表示該手杖較智能。 安全防護需求占比最大。 老年人疾病很多,如眼部疾病、耳部疾病等。 設(shè)計者要考慮老年人的視力和聽力問題。

8 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展,老年智能產(chǎn)品也在不斷更新。 人們對智能手杖的期待也在發(fā)生變化。 設(shè)計巧妙的產(chǎn)品能提高老人的幸福感。 智能多功能手杖的新技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計受到眾多老年人和年輕人的青睞。 該設(shè)計功能齊全、使用壽命長、成本低,能滿足用戶的需求,具有廣闊的市場前景。