智能化行程记录手杖的设计与研究

刘文强,马 媛,武强强

(1.西北民族大学 化工学院,甘肃 兰州 730124; 2.西北民族大学 化工学院工程训练中心,甘肃 兰州 730124))

随着世界人口的急剧增加,人口的数目在不断地上涨。从而浮现出了很多人群,例如老龄化的现象[1],致使年迈的老人或患有阿尔茨海默症、健忘症等人群不断增多。而且中国是全世界盲人最多的国家,约600～700万盲人,占世界盲人总数的18%,由于视力的原因,他们的行动很不方便[2]。以及热爱运动喜好登山的人们。然而这些看似并没有什么关系的人群却在无形中都有着一个共同点,那就是都会使用到拐杖。当然不同的人群使用着不同的拐杖,而本文设计并研究一种智能化的拐杖可以适用于以上人群,并且能通过设计和研究更好地服务于以上人群,给他们造来福音。传统的拐杖仅仅由一根木棍构成,结构简单并且没有什么其他的功能,而且存在一些问题。例如,无法对使用者将要接近的障碍物进行提醒,无法告知使用者当前的方位和时间,紧急情况下使用者无法向家求助等[3]。并且对于登山爱好者们所拥有的运动登山杖,如果迷失了方向,或者需要探索未知的地方人却进不去、以及想要记录自己一路的经历等问题。本文针对以上存在的问题,进行改进和调整基于传统拐杖和运动登山杖的特点,设计一款可以起到支撑、导盲及定位导航和视频记录于一身的智能化、人性化的智能手杖。行程记录系统不仅仅可以语音导航,还拥有摄像功能。通过摄像头记录下用户的一天,由远程操控可在另一端清晰、快捷的观看到手杖一端景象。此外拥有传统拐杖便于行走、以防滑倒、减轻腿部承受身体的部分压力的功能;还包括运动登山杖的主要作用:为减轻膝关节的压力,便于节省体力避免心肺功能的超负荷。而导盲预警系统不仅仅适用于盲人还可供登山者探测未知区域的道路情况,利用超声波的传播速度快、指向性强、频率高、能级消耗缓慢等特点,结合声波仪和红外线方便更精确地探测障碍物。该装置将单片机的实时控制及数据处理功能,与超声波的测距技术、传感器技术相结合。语音系统发出警示音,提醒用户前方障碍物需躲避。

1 总体设计方案

智能手杖顾名思义,是一种非传统的拐杖和非一般登山所用的手杖的一款智能化、人性化的新型手杖不仅仅拥有支撑、减压、登山功能,更有导盲预警系统、行程记录系统、GPS定位系统、语音提示[4]、蜂鸣器警示系统、照明系统等智能化、人性化功能。笔者设计一款智能多功能化的登山杖,由拐杖头、摄像仪(包含简易摄像头,类似于手机、笔记本等中所安装的微型摄像系统)、蜂鸣器、三节空心杆身、单片机、超声波传感器、光敏传感器、警示灯、镭射纸、稳压电源、语音系统、GPS自动定位系统、电线若干和组成电子系统设备的集成芯片电路板组成(图1)。

图1 智能手杖功能示意图

2 设计目的

智能手杖的设计目的有以下几点:①帮助用户导航、定位。随时随地的通过GPS定位系统进行位置定位,与此同时通过语音系统与行程记录系统相结合进行语音导航;②帮助用户探测前方道路。通过导盲系统中的超声波测障碍物,并且结合声波仪和红外线方便更精确的避免障碍物,降低用户的危险指数;③帮助用户记录一天的行程或实时观测用户的情形。通过行程记录系统,由摄像仪记录下当天所发生的一切并储存在SD卡中,还可以通过远程随时随地的了解用户的情况,观看到现场的情形;④可以通过蜂鸣器警示系统、照明系统帮助用户在夜间使用,并且由此警示其他人或者引起其他人的注意,方便用户。由此得出初步的设计理念:适用人群为老人、盲人以及登山爱好者;长度为120cm;能量供应为镍氢电池储电;使用环境为室外。

3 系统硬件设计

智能手杖结构设计包括:一款智能多功能化的登山杖,由拐杖头、摄像仪、蜂鸣器、三节空心杆身、单片机、超声波传感器、警示灯、镭射纸、稳压电源、语音系统、GPS自动定位系统、控制按钮、电线若干和组成电子系统设备的集成芯片电路板组成。智能手柄主要分为二个主要部分:手柄、手杆。功能结构如图2所示。

图2 智能手杖设计结构

3.1 行程记录系统

行程记录系统主要是由摄像头、家人手机终端以及存储功能所组成。在用户开启电源时,此功能正常使用。通过摄像头从而记录一下使用者的一天行程,不仅可从远程手机客户端观看到用户这端事实发生的情况,还可以通过存储功能进行存储。倘若是年迈的老人或者患有阿尔茨海默症、健忘症等人群可以根据摄像仪以及GPS定位系统及时知道用户的位置以及当场的情形,更加便捷的寻找到用户,使危险降低到最低。行程记录能够记录下用户多发生的一切事情,还可以通过摄像功能记录下一路上美丽的风景,视频资料既可以储存又可以在远程观看达到一种共享的状态。

3.2 导盲预警系统

导盲预警系统主要由单片机控制下的超声波测距系统,再结合声波仪和红外线方便更精确的避免障碍物。超声波测距系统主要是使用超声波发射系统发射脉冲触发信号[5],当超声波遇到障碍物返回到接收器再到反馈系统由单片机控制语音系统进行语音提示。在使用过程中按下导盲预警系统按钮时,此功能开始工作。当前方障碍小于30 cm时,语音系统播报“距离前方障碍物30 cm”,从而提醒用户降低危险性的发生。并且有着红外线测障和声波仪协助完成精确测障,使其精确度增高,模拟量输出,使用更加方便。

3.3 GPS定位系统

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到 用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知 道接收机的具体位置[6]。GPS定位系统所采用的是GPS-OEM版定位,其定位速度快、工作稳定、耐电压冲击和高抗干扰性,拥有着12道并行的轨道,可以在第一时间内锁定可视卫星,其位置精度为15mRms(SAoff)/10m(差分)、速度精度达0.1 m/s,适合在拐杖中使用[7],并且长寿命后备锂电池使重捕速度更快,全屏蔽封装具备优秀抗电磁干扰特点。CPU采用STC12C5A32S2单片机。该CPU是宏晶科技有限公司生产的一款高性能8位单片机,运行速度快、抗干扰能力强[8],从而将CPU与GPS通过串口与单片机相连。

3.4 语音提示系统

语音提示系统所利用的是集成的语音系统LD3320A,其自带语音识别和对应的语音播报,不需要更多的控制就能简易的。并为了实现智能化、人性化的设计,此语音系统通过单片机控制的四根控制线SCLK、MOSI、MISO、/SS的SPI协议对LD3320A进行串口通信。SPI总线系统可以使单片机与外围设备以串行的形式进行通信上的信息交流。接口信号MOSI是指主器件数据输出,从器件数据输入。SCLK是由主器件产生的时钟信号。/SS是由主器件控制的从器件使能信号。原理结构见图3。

图3 语言系统原理结构

3.5 蜂鸣器警示系统

蜂鸣器警示系统主要是由蜂鸣器、扬声器所组成,通过按钮的控制,使其正常工作。当按钮按下时会发出警示鸣笛,提醒其他路人,再次按下按钮警示鸣笛取消。照明系统主要是由摄像仪下方的闪光灯所组成[9],在夜间或者需要警示提醒他人时,打开照明系统的按钮即可进行照明。并且为摄像提供一个更加良好的环境,使拍摄的视频更加清晰、明亮。

4 手杖结构的设计

智能手杖的结构设计基于传统拐杖以及运动登山杖的优势于一身,并且智能方便,可伸缩长度.其手柄部分是中空的,内部安装稳定电源、单片机、控制按钮、扬声器和蜂鸣器。手柄后端设有开口方便给电池充电,内部安装的稳点电源是可充电性干电池。而当电池电量不足时警示灯就会亮起提醒用户及时充电,警示灯由发光二极管构成。而单片机通过电子系统设备和导线与下端GPS定位系统、语音系统、超声波系统相连接。而控制按钮是控制蜂鸣器的工作,通过用户的控制发出声音。因为手柄中空位置较大并且此装置较为重,放在手柄位置可以更好地使手杖重量分布均匀。在手柄的下端即与手杆接触部分,安装有摄像头及闪光灯。正好处于手柄的正下方既有手柄的保护又方便摄像,摄像仪与闪光灯是处于手杆中空的内部镶嵌在手杆的表面,类似于手机后屏的装置结构,而在其后面则有一个安放存储卡的卡槽,便于安放和更换储存卡。手杆部分由三节空心杆身所组成(图4)。三节杆身是可以收缩的并且可以根据用户随意调节高度。每节空心杆40 cm,有着二挡调高的功能。在第一节空心杆中设有语音系统,GPS定位系统,由单片机所控制其电路模块。在第三节空心杆中安装超声波、声波仪和红外线的发射装置及其接收装置,并由手柄处单片机所控制通过导线传递电信号。超声波发射距离在45°、1.5 m的扇形范围内,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播(超声波在空气中的传播速度为340 m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),s=340t/2[10])，途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时,通过计算可得出障碍物的距离。当检测到障碍物会有单片机协调语音系统向用户反馈,与此同时手柄会产生振动从而提示用户。

图4 手杆部分组成图

5 结束语

智能化多功能手杖本着其功能多样化,技术新颖化,设计创新化将深受广大老年及青年市民的捧爱。普通的传统拐杖仅有在支撑体力不支的情况下使用,而且设计笨重,灵活性差。多功能智能化手杖采用高端的智能化电子设备,轻捷便于携带,具有传统拐杖无法比拟的优势。智能手杖内置有利用电子技术设计研制的GPS定位导盲系统、超声波传感器、行程记录设备、语音控制系统、蜂鸣器等高端设备等,多样化的人性化外表加上智能化的内部系统使本产品将会有很好的市场前景,可在全国范围内推广宣传使用,让更多的人熟知,更多的老年人,青年人,特殊残疾人群受益。并且该设计功能齐全、产品耐用、使用寿命高、成本低,能满足普通老百姓的购买能力和功能需求,具有广阔市场前景。

[参考文献]

[1] 仲小英.基于GPS和GSM的多功能智能拐杖设计[J].电脑知识与技术,2015,11(26):144-146

[2] 陈玉萍,卢先领.基于SN8P2501单片机智能导盲系统设计与实现[J].电脑知识与技术,2011,7(33):8288-8289.

[3] 魏庆丽,许鹏,李军,等.基于MSP430的GPS定位智能拐杖设计[J].吉林大学学报(信息科学版),2012(5):445-449.

[4] 贾丹平,王岩,王阳,等.多功能盲人智能拐杖的设计[J].电子设计工程,2016,24(14):136-142

[5] 陈艳婷,李志鹏,贾丹平,等.盲人智能拐杖的设计[J].科技创新导报,2016,6:77-78

[6] 方仁杰,朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测量与控制,2011,19(5):1154-1157.

[7] ELLIONTTD K.GPS原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

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[9] 朱伟,万福成,杨土明.老年人拐杖的智能设计研究[J].长江大学学报(自科版),2014,11(22):61-63.

[10] 杨冬燕.用于移动机器人避障的超声波测距系统[J].内蒙古科技与经济,2008(16):122-124