基于老年人监测系统的多功能拐杖

杜皓宇　滕道祥　丁钢　罗雪峰　王帅　姜钰炜

【摘 要】如今，我国进入了人口的老龄化时代，众所周知老年人的自我护理能力差，极大可能的发生意外。然而社会养老机构数量有限，为解决这一问题，设计了一套基于老年人监测系统的多功能拐杖。一般老年人的腿脚不便，需要拐杖辅助自己行走，而拐杖带有了健康监测系统可以提醒老人按时吃药，测量老人的体温、心率等身体状况，并将老人的身体状况通过GSM模块告知老人的亲属。当老人出现体征异常等危机，系统自动告知老人的亲属，老人也可以按下呼救按钮进行求救。

拐杖的老人监测系统主要是由STC系列MCU、GSM模塊、心率传感器、体温模块、时钟模块、LCD液晶屏组成。本设计弥补了传统的老人拐杖单一的功能，既可以帮助老人行走，又保障空巢老人的安全，所以本设计将会拥有巨大的推广前景。

【关键词】健康监测；空巢老人；多功能拐杖

中图分类号： TP274 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0233-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.109

A multi-function walking stick based on the elderly monitoring system

DU Hao-yu TENG Dao-xiang DING Gang LUO Xue-feng WANG Shuai JIANG Yu-wei

（School of Mathematics and Physical Sciences，Xuzhou Institute of Engineering，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

【Abstract】nowadays， China has entered an aging population age， and it is well known that the elderly have poor self-care ability and are likely to have accidents. However， the number of social pension institutions is limited. To solve this problem， a set of multi-function walking sticks based on the monitoring system for the aged is designed. Usually old people walking， aided his crutches to walk， and stick with the health monitoring system can remind the old man to take medicine on time， the old man's body temperature， heart rate measurement such as health， and the old man's physical condition via the GSM module to the old man's relatives. When a crisis occurs， such as abnormal physical signs， the system automatically informs the relatives of the elderly， and the elderly can press the call button for help.

The elderly monitoring system of crutches is mainly composed of STC series MCU， GSM module， heart rate sensor， temperature module，clock module and LCD screen.This design makes up for the single function of traditional old people's walking stick，which can not only help the old people to walk， but also guarantee the safety of empty nesters. Therefore，this design will have a huge promotion prospect.

【Key words】Health monitoring；Empty nesters；Multi-purpose walking stick

0 研究背景

随着社会的发展，中国人口老龄化的趋势越来越明显。中青年夫妻的工作压力比较大，难以承担抚养多个老人的责任，因此，中国的空巢老人数量越来越多，但因为中国的国情，无法增加足够的社会养老机构来解决这一问题。另外，人口老龄化，老年人是心脏病等慢性疾病的高发人群，年轻人工作压力大，没有时间陪伴在父母身边等是该系统的主要出发点。此拐杖的设计既方便了老人的短途外出，又能该实时监控老人的身体状况，并在发生意外时，提醒长者及子女来减轻或避免老人受伤。老人健康监测管理系统可以提醒老人按时吃药，测量老人的体温，、心率等身体状况，并将老人的身体状况通过GSM模块告知老人的亲属。当老人出现体征异常等危机，系统自动告知老人的亲属，老人也可以按下呼救按钮进行求救。这样既解决了空巢老人的安全问题，又能减轻青年夫妻的压力，为社会的和谐发展作出一定的贡献。

1 总体方案设计

本设计由单片机最小系统、体温传感器、心率传感器、语音模块、GSM模块组成。主要以STC12C5A60S2单片机为中心的，使用DS1302模块来实现时钟的具体和精确显示，通过单片机控制语音模块来提醒老人准时吃药。通过体温传感器、心率传感器实时检测老人的健康，一旦老人的健康出现问题，系统自动拨打电话来告诉老人的亲人。

2 主要元器件介绍

构成老人健康监测管理系统硬件的主要元器件：STC12C5A60S2、语音模块、GSM模块、体温传感器、心率传感器。小器件有电阻、电容、晶振、按键等。

2.1 主控制芯片

STC12C5A60S2单片机不仅执行速度快，而且功耗也不高，另外，抗干扰能力也很强，即使将它放在极限环境，它也能正常工作，而且这款单片机的兼容性也不错，拥有12时钟机器周期和6时钟，用户可以根据自己需求选用。正常情况下，它的工作频率能够达到33MHz，还有3个定时计数器，比51系列的多一个，价格也和51差不多，它的正常工作范围是-40～+85°C（工业级）/0～75°C（商业级）。因为上述种种优点，因此本设计便选用了STC12C5A60S2单片机。

2.2 体温传感器

市面上测量体温的传感器有很多种，采用的测量方法各有千秋，如：热辐射、压电式、热电阻。

热辐射测量具有结构简单、无直接接触、测量范围宽、测量精度高等优点。缺点：人为误差大，只能测量高温，连续测量需要降温。

压电测量具有分辨率高、稳定性好、输出频率易于数字化、抗噪性强、性能稳定、线性度好等优点。缺点：机械化强度很差。

热电阻测量，热电阻拥有负温度系数，体积小，适合快速测量的优点，缺点少。

2.3 心率传感器

PulseSensor是一款用于测量脉搏心率的传感器。它的测量方法是将传感器佩戴于手指、耳垂的地方，心率传感器通过导线与导数的连接，可将采集到的信号传输给单片机，单片机通过PCF8591模块将信号转变为数字信号。单片机通过一定的算法处理后可以得到心率的具体数值。另外，心率传感器可以将脉搏波形上传到上位机，计算机可以通过上位机显示心率波形。目前心率传感器大多用于研究和演示心率方面的问题，也非常适合用于二次开发。

2.4 GSM模块

GSM模块中文简称为全球移动通讯系统，可实现短信收发，拨打电话，蓝牙通讯等功能，并且功能在逐步完善。可以实现中国联通，中国移动的2G网络通讯。

GSM模块通过串行口与单片机实现通信，并且工作频率需要与单片机同步。GSM模块使用AT指令与单片机通信。当单片机对GSM模块发出发送指令時，GSM模块就会向指令号码发送警报。

2.5 DS1302模块

DS1302芯片用来驱动时钟电路，具有掉电存储的功能，即使单片机掉电，也不会使时间停住，能够准确的显示当前时刻的具体时间，包括年月日星期时分秒等，它的工作电压最高5.5V，最低2.5V。该芯片能够掉电存储的原因是有双电源，除了外部电路供电外，还有一个备用电源，所以，即使时钟电路主电源未就绪，也可以维持系统时间不变，备用电池可使用二十年之久，因而不用担心备用电池会没电的情况，由于DS1302这些优点，本设计便选用该芯片作为时钟电路的主控芯片。

使用DS1302时要注意它的三根线，分别是CE、I/O和SCLK，其中CE是使能线，SCLK是时钟线，I/O是数据线。

3 多功能拐杖的设计

3.1 外观设计

针对老年人的特点，提出了拐杖底部设计要安装缓冲功能的设施比如橡胶防滑装置，这样拐杖着地时轻巧、稳重、不易打滑，老年人行走更加快捷、安全。此外，市面上的老年人拐杖主体的设计长度是固定的，不可调节的。此设计构想是把拐杖的手柄设计成可调节式的，这样就避免了使用时拐杖过长或过短给老年人带来的不适感。

3.2 材料设计

对于材料，新型的拐杖选择镁合金作为主材，它具备以下优点：

（1）坚固耐用且强度高，承重能力相对来说比较强；

（2）自重轻，不会给老人带来负担；

（3）弹性好，具备很好的缓冲减震功能，能够使拐杖在接触地面没有震动，减少对手臂的压力。

4 结论

本文对于老年人的心理、生理特点进行分析，着眼于老年人的实际需求，从外观、材料和功能等方面提出了老年人多功能拐杖设计的相关设计理念。在主要功能中，老年人监测系统主要有MCU、GSM模块、各个传感器模块组成。MCU负责数据处理，传感器模块包括体温传感器、Pulse sensor传感器、DS1302模块，12864显示屏和语音模块，分别采集老人相关的健康状况信息、显示精确的时间、显示相关的数据和提醒老人按时吃药。使其辅助老年人行走之余为他们提供安全保障和相应的功能需求。

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