分段式智能拐杖的研究与设计

于天娇，常玲，胡高山

（沈阳城市建设学院信息与控制工程系,辽宁沈阳,110000）

0　引言

随着社会和经济的发展，我国在新的历史条件下，人口老龄化日益加深，老龄社会问题凸现。而老年人俨然成为我们首要关注的社会群体。

“树老根先枯，人老脚先衰”。关注老年人的健康，首先就要关注老年人的行走问题。因此，一根合适的拐杖，对老年人的日常生活很有必要。现有的普通老人拐杖只能给老年人提供单纯的行走支撑作用，在老年人发生意外时，不能够及时的通知周围以及相关的人士，因而也很难让老年人在发生意外时能够得到快速有效的救助。这样的拐杖在注重对人的一种人性关怀和对产品的使用感受时似乎显得有点不足。

本次设计将以健康管理、倒地报警、自动照明、雨天预警、障碍物智能探测和自动充电等功能模块为主要目标而进行研究与设计该技术具有易于实现，功能可定制，成本可控等特点，对 “智能拐杖”实现困难是一个突破。

1　设计方案

本方案设计基于Arduino的分段式智能拐杖的设计与研究，主要分为三大步骤。

第一步，硬件平台的设计。硬件部分以Arduino芯片为核心，设计外围电路。硬件平台的建立是系统最关键的问题，先设计系统电路图，并通过仿真软件进行仿真，仿真通过后进行硬件的连接。第二步，相关程序的编写。写出相关程序，并调试。软件设计包括对变量的定义、I/O口的设置、子程序的调用和总程序流程等相关问题。第三步，将程序烧写到Arduino芯片中。

2　系统组成及功能

本项目以“模块化”为设计思路，采用Arduino Uno芯片作为核心板，通过把不同的功能模块嵌入到拐杖的不同“节”当中，每一个“节”都有不同的功能，使用者可以更具自身的实际需求对不同的“节”进行组装，“节”与“节”之间采用贴片式接触方法进行连接，从而来实现对拐杖特定功能的量身定制。

图1　原理图

Arduino，作为核心板，是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。超声波传感器，采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，采用小角度，小盲区超声波传感器，具有测量准确，无接触，防水，防腐蚀， 低成本等优点，在本项目中作为探测前进方向障碍物核心检测元件。MPU6050为集成了多个传感器模块，其中包括陀螺仪、磁力传感器、加速度传感器等多种传感器模块，在本项目中主要用于计步功能，其它功能将进行后续开发。心率检测模块将对使用者的心率情况进行采集。感光传感器与温湿度传感器将对环境光照情况和温湿度情况进行采集。LED灯、蜂鸣器和LCD显示屏为显示机构，经过Arduino传来的信息进行表达。存储器单元将对使用者的心率、步数等情况进行记录。显示屏对使用者的心率、步数等情况进行显示。电源部分对整个系统用电元件进行供电。

3　设计特点

本项目在拐杖中采用模块化可拼接技术，每一个模块都有其特定的功能，使用者可以根据自己的实际使用需求，自主选择特定模块进行连接，从而来实现对拐杖功能的发挥。具体研究内容如下：计步器的工作原理，步数、里程与热量之间关系，及如何消除非步行所引起的计数错误；各种心率感应器工作原理优缺点对比，选择合适的感应器；使用者意外倒地时，报警自动开关的设计与实现问题；设计自动照明时，对人眼对光环境的生理需求与心理需求，包括亮度、光色等；温湿度传感器工作原理；超声波传感器工作原理；机械能与电能转化装置、工作原理及电能储能相关问题；Arduino核心板的学习。

4　结语

本作品属于电子设备高端产品,技术新颖,功能多样化、市场针对性强,制造简单,具有传统单一功能产品无法比拟的优势。此外，其他的设计亮点也是围绕着人性化为中心开展的创新，力求增加老年人的亲切感与归属感，让其在使用过程中更加安全、舒适和实用。设计的分段式智能拐杖不同“节”中嵌入不同模块，可以分别完成与之对应的不同功能，用户可以根据自己的实际需要情况进行量身定制，这样不仅可以让拐杖更加个性化，完成使用者的各种需要，同时可以在一定程度上降低使用者的购买成本。