老年人多功能智能晴雨伞的设计

黎 陈，刘缤绩，史可欣，田志鹏，黄 薇，姚 敏

（武汉东湖学院电信学院，湖北 武汉 430212）

作为全球老龄产业市场潜力最大的国家之一，中国养老行业仍存在许多急需完善之处。老年人的生活护理和健康保障是城市建设急需解决的问题。老年人出行经常存在诸多不便，特别是下雨天气，更是给老人带去极大的不便甚至危险。老人出行依靠的雨伞目前大多只有遮雨的功能，且市面上出现的雨伞功能效果单一。通常老年人由于身体素质和行动能力相对薄弱，需要随身携带拐杖，并偶有迷路走失的现象发生，更会遇到身体不适等一系列需要紧急求助的情况。考虑到老年人的这些切身需要，本项目拟设计并实现一种多功能智能晴雨伞来解决和改善这些常见问题。

1 系统设计方案

1.1 系统的材质结构设计

本设计所提出的老年人多功能智能晴雨伞通过雨伞和拐杖的结合造型，使雨伞既能挡雨又能辅助行走。系统硬件设计主要由MCU控制模块，GPS模块，GSM模块，手柄加热模块以及音频播放模块五个部分组成，实现GPS定位、一键求助、暖手、音频播放等功能。

考虑到雨伞结构本身的局限性和雨伞使用时的特殊外部环境，对雨伞的外观，材质，支架进行了选择和设计。伞骨采用轻便有优良强度性能的碳钢材料，使雨伞具有良好的支撑力；伞面采用橡胶塑料类防水材料，该材料具有抗拉强度高，

弹性和延伸率大，粘结性、抗水性和耐气候性好等特点，可以冷用，使用年限较长使该雨伞具有优良的防水性；雨伞底部设计采用了可更换的摩擦系数大且有弹性的材料作为支脚垫，防止拐杖与地面接触时打滑，减少地面给人体的反作用力及对人的不适感。更重要的是当雨伞倒地的时候，老人只要用脚尖轻踩一下防滑垫的边缘即可轻易的让拐杖重新回到手中，避免了因为弯腰捡雨伞而造成对老人腰部的损害。

为了解决如何通过增大电路板面积来集成各功能电路，从伞面，伞骨，伞柄的结构考虑电路板的安装位置，提出采用了圆柱体柔性电路板内置伞柄，节约了集成电路的面积，更轻易内嵌进伞柄。主要硬件都集成于伞柄处。电子器件均涂上加固胶水，电路板涂上防水胶，伞柄外围添加防水膜，实现防摔、防水，提高雨伞的安全耐用性。

电源接口置于伞柄底部。系统采用按键实现人机交互，伞柄处设有三个按键，为方便老年人在紧急情况下使用一键求助功能，特别地将一键求助按键单独置于一面，其他两按键则置于伞柄另外一面。

在伞的外层特别的加上反光条设计，利用反光材料的逆反射原理，提高驾驶员发现前方物体的距离，从而能给驾驶员以更充分地时间，采取相应的安全处置措施。

初步外观和功能结构分布如图 1所示。

图1 智能伞外观和功能结构分布图

1.2 系统功能模块设计

为了更高效地接受信号和处理信号，我们在硬件系统中加入MCU控制模块，它可以控制GPS定位、温控加热及音频播放三个部分。MCU在GPS模块接收到有效的GPS信号后，可控制GSM模块向指定的手机用户发送定位求助短信。MCU还可以通过温度传感器实现对外界温度的测量，若温度低于设定值，则启动PTC热敏电阻开关加热伞柄。MCU还能通过按键开关控制内嵌式播放器实现音频播放的功能。硬件电路模块框图如图2所示。

图2 系统功能模块图

（1）一键定位和短信求助功能设计。选用SIM900A集成模块。SIM900A是一款尺寸紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。可以内置客户应用程序。SIM900A GSM/GPRS使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS 900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM900A能满足M2M 几乎所有应用要求，尤其是小巧、紧凑型的设计符合我们伞柄空间大小。在APP“一键求助”设置界面中，提前添加“紧急联系人和求助短信”，最多可添加三名紧急联系人，点击“完成”按钮。当老人突发意外情况按下伞柄处的一键求助按钮 ，GPS模块通过天线捕捉GPS卫星信号极小的电磁波并转为微弱的电流，并将该信号传至接收模块。GPS接收模块处理该信号后传送给MCU，由MCU判断接收的GPS信号是否有效，向GSM模块发送不同的AT指令。确定信号有效则同时数据采集模块（即系统的API模块），APP获取GPS模块中的GPS 信号;通过数据处理模块对获取的GPS 信号进行数据封装使其适应于网络传输协议，并通过GSM模块向指定的手机用户发送求助短信，通信模块最终将已处理完成的数据传输至服务器，显示在用户界面。当接收的GPS信号无效时，系统将直接通过GSM模块向指定的手机用户发送求助短信（“我需要帮助”）。如图3所示。

图3 通信处理模块示意图

图4 过热保护装置原理图

图5 软件设计方案

（2）暖手功能设计。此加热系统是在伞柄处采用保温棉填充，保温棉用塑料膜封装以保证保温效果。用双控温电热储能式结构，逐渐释放热能。内设自动过热保护装置及自动保温指示装置，一个由PTC热敏电阻开关控制的小电炉，PTC是正温度系数的热敏电阻，系统运行后，内置温度传感器对环境温度进行检测。当度低于20°C时，MCU启动加热模块，通电，增大温度。当温度达到设定的最高温度时，温控开关视为断开，所以“热宝”此时停止消耗电能，之后靠保温棉对电炉的保温来缓慢放热。待温度降至20°C以下，MCU接收到低温信号控制发热模块再次启动。自动过热保护装置原理如图4所示。

（3）音频娱乐设计。在伞柄处安装一种内嵌式音频播放器和MCU系统相连，通过伞柄处的按钮控制音频播放器的开关。其中的内嵌音频播放器即使一种迷你MP3播放器，由微处理器、存储器、放大器、DSP构成。微处理器是播放器的大脑，它通过与mcu相连的播放键接受信息，并向DSP芯片发送指令，告诉它如何处理音频，DSP执行一个解压算法来解压MP3文件，然后数模转换器会将数据转换成音波，DSP从存储器中提取歌曲数据，将其放到播放器。

2 软件设计方案

MCU主要依靠系统工作流程图工作，如图5所示。流程图可分为定位、一键求助、温控加热和音频播放四个部分。系统循环检测按键和手柄温度。按键按下后，系统执行对应的定位、一键求助或播放器功能，执行完毕继续循环检测按键和手柄温度、控制发热体，使手柄温度保持在设定温度之间。

3 结语

这把专门针对老年人开发的多功能智能雨伞通过雨伞和拐杖的结合造型，在晴天给这些行动不便的老人充当拐杖，在突然下雨时可以及时转换为雨伞挡雨，雨停时又可转换为拐杖辅助行走，充分解决了老人出门的一系列不便的问题。

GPS定位功能在老人们出门遇到意外情况时，通过及时发送位置信号向家人进行求助。音频播放功能也满足老年人随时随地的娱乐需求，愉悦身心。同时在伞柄处贴心地设置了USB充电式暖手宝，以便在寒冷天气撑伞时更好地照顾到老人的身体。在伞面材料上也使用了特殊的选择和细心的设计，边缘处采用反光条设计，使过往的车辆可以及时避开老人，减少老人夜间行走的危险性以及伞面滴水造成地面湿滑而带来的各种隐患。伞面和伞柄采用的疏水性材质减少了伞面积水，从而降低由此引起的湿滑地面所带来的危险系数。

[1]鄢梦林,孙威东,万玉盼.基于AT 89 S 51单片机的温度控制系统设计与实现[J].福建电脑.2013,(10).

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[3]许世虎,金锦虹.雨伞设计中人机工程学分析[J].科技信息.2011,(16).

[4]董建勋.基于GPS和GSM短消息的定位装置的设计[D].太原：中北大学.2011.

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