拐杖式智能伞设计

梁健恒

（广东碧桂园职业学院，广东 清远 511510）

0 引 言

根据我国统计局的权威数据表明，直到2019年底，我国人口总量已经突破14亿人，其中老年人数高达2.54亿人，老年人口占比达到18.1%，已经逐渐步入了老龄化阶段。人口结构变化的同时，老年人的生命安全和健康状况也越来越得到重视。

由于人工智能产业的不断发展，产业不断优化升级，大批的研发团队抓住时代机遇，不断地研发设计出应用服务型智能产品，其中雨伞行业的制造商也不断地推出新产品。为了解决市面上遮雨伞功能设计单一、缺乏市场竞争力等问题，本文专门设计研发一款适合老年人群体使用的智能晴雨伞。拐杖的发明给老年人群体的日常生活行动带来了福音，但是他们的外出安全问题仍然值得关注，所以考虑到老年人的外出安全问题和生活需求，将智能伞和拐杖结合设计来解决和改善这些常见的问题。

1 总体方案

按照伞的用途分类不同，目前市面上的伞一般分为遮阳伞和遮雨伞。

相对于遮雨伞的用途来说，拐杖式智能伞的设计也会考虑防晒因素。为了满足老年人群体的需要，伞的设计既要考虑满足拐杖的辅助行走功能，也要满足普通伞挡雨和防晒作用的基础上，通过物联网嵌入式系统设计，实现夏日降温、夜晚照明、健康检测、定位报警、远程监护、电话求助等多媒体智能功能。智能伞外观设计和功能结构分布如图1所示。

图1 拐杖式智能伞外观和功能结构

拐杖式智能伞的伞架部分用于辅助支撑老年人身体行走。在设计伞骨架结构时，使用轻便结实、高强度、轻巧耐磨的合金骨架作为伞杆材料。无论烈日的暴晒还是雨天的淋刷，仍使得伞体具有良好的支撑和抗氧化作用。伞杆的底部安装了4个防滑耐磨的橡胶底座，能与地面有足够大的接触面积，能够增加与地面的摩擦力，有更好的抓地力，保证老年人步伐平稳。另外，伞杆内部作为电池仓，大大地减少伞体体积的同时，也增加了拐杖式智能伞架结构的硬度。伞杆内部的电池仓采用绝缘、防水的环氧树脂灌注使得伞体各电路器件稳定工作。风扇电机作为伞杆其中的一部分，同样采用环氧树脂封装以确保良好的防水、防摔和散热，防止老年群体夏日中暑。

为了更好地防止紫外线照射人体，伞面采用市面上常用的190T黑胶碰击面料，能更好地防晒、防中暑和雨天防水。伞面撑开半径采用55～60 cm，在防雨的同时，可更好地进行防风，可以减少了恶劣天气带来的安全隐患。伞面内部的尼龙网状面布能有效地防止异物进入风扇电机，确保风扇电机正常稳定工作。

手柄位置作为拐杖式智能伞整体的控制单元，增大手握柄的面积，嵌入多功能集成电路，让用户更牢固地抓住手柄。手柄采用防滑耐磨的橡胶设计，使其具有良好的手握舒适性，给用户带来更好的体验。手柄上设置了3个可操作按钮，分别为一键紧急求助，风扇、灯光照明切换按钮和多媒体音乐播放按钮。按钮位置的合理设计有利于方便用户操作，也利于在遇到紧急情况下通知他人求助。在手柄的前后端分别安装了高清摄像头和LED灯光照明功能，为晚上步行提供了安全条件，同时提醒路上行车司机留意，从而减少安全事故发生。在手柄的左右两侧专为老年人设计时间提醒和心率健康测量功能，可以提醒老年人有意识地关注自身健康状况，避免意外的发生。

2 硬件设计

本设计采用意法半导体集团公司的ARM 32位Cortex-M3内嵌入式增强型单片机STM32F103作为主控芯片。STM32F103具有512 KB的闪存，11个定时器，13个通信接口和3个ADC等可用资源，工作频率可以达到72 MHz，完全满足本系统的设计需求。MCU作为物联网系统控制的核心，其需要与多种外部设备接口进行通信，达到人机交互、多功能的智能效果。其中主要硬件选用如下：

（1）本设计采用高性能的SIM800C集成模块。该模块具有工业级别的GPRS，可以支持工作在GSM 850～900 MHz或GSM 1 800～1 900 MHz的信号频段内，可以实现语言通话、短信收发和语音播报等功能。因此，SIM800C模块适合用于本系统紧急求助功能设计。

（2）用于定位功能的硬件选用Alaentk公司生产的GPS加北斗双模定位模块S1216。S1216具有可快速实现定位、信号极好等优点，定位精度在2.5 mCEP左右，更新速率最高达20 Hz，捕获追踪灵敏度在-165 dBm左右。S1216模块采用NMEA-0183协议输出GPS或北斗定位数据，并可以通过SkyTraq协议对模块进行配置。本系统通过该模块的串口发送TXD、串口接收RXD和PPS时钟脉冲输出脚进行信号通信，从而实现定位功能。

（3）用于娱乐功能的硬件采用NUBWO公司的eV4Wq音频解码器模块，它集合了MP3、WAV音频解码，支持FAT32文件系统，采样率支持48 kHz，动态范围支持90 dB，信噪比支持85 dB的同时，还具有FM收音机等功能。

（4）对于摄像头监控功能，系统采用带有FIFO的OV7670图像传感器模块，它的VGA图像最高达到30 f/s，具有灵活的图像质量、数据格式和传输方式，可以根据不同的需要进行设计，从而方便本系统的设计开发。

（5）系统电源的输入/输出管理采用由Everanalog集成电路有限公司设计的一款四通道电源管理芯片EA3059。EA3059集成了4个同步降压调节器，适合由锂离子电池或直流5 V适配器进行供电。电路在重载的情况下，仍能高效率地输出，其最大峰值负载电流达到4 A。由于芯片内部具有补偿架构控制，能大大地简化外部电路，并且独立的使能控制能很好地优化电源控制。

（6）为了更好地将录像视频上传到云服务器，将当前所处的环境提供给紧急联系人，这里采用物联网络传输的方式进行传输数据。本系统使用Ai-thinker公司推出的一款ESP8266无线WiFi串口模块，它是作为物联网的传输层，其功能是将串口或TTL电平转为符合WiFi无线网络通信标准的嵌入式模块。ESP8266内置无线网络协议IEEE 802.11b.g.n协议栈，以及TCP/IP协议栈，可将传统的硬件外部设备嵌入WiFi模块进行集成化。系统通过对WiFi模块进行AT指令配置后，再与单片机进行串口通信，并利用WiFi信号接入互联网平台进行数据传输，从而实现了万物互联。

本文系统的功能模块如图2所示。

图2 系统功能模块

系统模块的功能具体如下：

（1）降温湿度功能。若伞架处于打开状态，MCU处于非低功耗待机时，检测该按钮的状态信息在3 s内是否被触发1次，并通过内部的ADC转换后读取温湿度传感器的数据，判断当前温度是否超过预设定的危险额定值。经MCU分析选择是否开启风扇降温，以避免环境温度过高，造成电机高负荷运转而损坏电路。

（2）夜晚照明功能。伞架处于打开状态，MCU处于非低功耗待机时，检测按钮的状态信息在3 s内是否被触发2次，经MCU分析选择是否开启高亮度的LED灯光照明。若伞架在合拢状态下，同样MCU处于非低功耗待机时，检测按钮的状态信息在3 s内只需被触发1次就可开启灯光照明，为老年人照亮回家的道路。

（3）紧急求助功能。当紧急求助按钮被触发时，MCU无论在低功耗待机模式还是处于正常模式，报警信号灯SOS亮起的同时，高音喇叭也启动工作并且MCU及时触发GPS模块工作并读取GPS当前的位置信息，MCU控制GPRS模块向预设的指定手机用户发送定位和求助电话，从而确保老年人的人身安全。同时，MCU控制开始启动摄像头进行循环录像模式，并把录像视频存入系统的存储器，为人身安全提供保障。

（4）远程监控功能。当系统的紧急求助功能被唤醒后，远程监控功能也同时被触发，系统唤起GPRS模块通知预设的紧急联系人登陆云服务器平台，通过系统内置的ESP8266无线WiFi网络连接公网，从而帮助紧急联系人远程实时查看监控，快速判断老人家所处环境的安全状况。同时，远程监控功能的监控录像也会被MCU控制写入存储器内部保存。

（5）定位报警功能。MCU通过不断地检测系统内置的角度传感器，若经过分析处理角度传感器、陀螺仪的数值出现非寻常的变化时，比如老人摔倒等情况，MCU将会触发GPS模块工作并读取GPS当前的位置信息，MCU控制GPRS模块向预设的指定手机用户发送定位、时间、摔倒次数、系统电量等信息，以便紧急联系人可以快速地了解老年人目前的状况。

（6）健康检测功能。该功能作为老年人外出前进行的一项简单的检测身体健康评估。该功能的使用方法是双手分别握住手把柄处安装的手握式心率测量传感器芯片ZH0710，等待数秒后即可看到目前的心率情况。其工作原理大致过程为人体心肌产生的电信号通过两个手掌传递到系统的两片电极上，将信号差通过多级放大、滤波、R波检测与信号整形后传到MCU进行处理数据分析，再通过液晶显示屏显示出心率值。

（7）娱乐多媒体功能。娱乐作为老年群体退休生活的一部分，例如下象棋、喝早茶、听音乐等娱乐项目。为了满足老年人的娱乐生活需要，系统嵌入了MP3音频播放器，可本地播放音乐，也可听电台收音机。当MCU处于非低功耗待机时，若检测该按钮在3 s内被触发1次的状态信息时，MCU将发送操作指令信号到DSP音频解码芯片进行对本地存储器的歌曲进行播放。若检测该按钮在3 s内被触发2次时，MCU将发送操作指令驱动TEA5767数字调谐FM立体声收音机集成电路芯片工作，可以通过长按按钮进行频道搜索收音，提高了老年人的娱乐生活质量。

（8）电源管理功能。电源作为电路能量的主要来源，既要保持良好的功率输出，也要具有很好地电源管理能力。MCU通过控制电源管理芯片的使能端与各个外部设备进行通讯，系统电路配合着温度传感器的使用，能更好地防止电路短路故障或部分用电设备高负荷运作引起危险的发生。电源有足够的能量为电路提供正常工作的条件时，电源管理芯片将会实时监测着电路工作状态。当电源供电不足时，电源管理芯片将会告知MCU当前电路电压状态，并使系统电路进入低功耗模式，延长电路工作时间。

（9）时间提醒功能。对于老年人而言，时间只是个提醒的工具，不必要非常详细地了解当前具体时间。但是因为多数的老年人没有随身携带智能手机的习惯，所以时间观念也是一个重要的问题。为了方便老年人的生活作息习惯，系统扩展了时钟提醒功能，可以随时查看目前的时间，便于生活娱乐节目的管理。

（10）障碍检测功能。为了更好地辅助老年人群体行走，拐杖式晴雨伞采用AGV无人搬运车对障碍物的检测方案进行对前方障碍物检测。利用超声波测距的方式，MCU采集到量化的间隔信号作为距离障碍物远近的信息。当障碍物更靠近拐杖式晴雨伞时，蜂鸣器会发出急促的滴滴声提醒，当免除障碍物后，MCU自动恢复正常的检测状态。

3 软件设计

本系统的软件部分采用C语言设计编写。C语言具有简洁方便、灵活的语法结构、代码与数据可分离设计等特点，也是STM32系列嵌入式单片机常用的设计语言。第三方公司已经把各个寄存器封装成库函数，在很大程度地减少开发者的开发难度和代码的冗余性，更好地使程序实现模块化，便于日常维护和今后移植开发。本系统软件运行流程如图3所示。

图3 系统软件运行流程

Main函数作为程序的主入口，通过调用第三方公司封装好的操作寄存器、时钟等函数以及将各个外部设备进行系统初始化，其中包括GPS模块、GPRS模块、摄像头模组、陀螺仪、心率模块、电机、LED、音频等外部设备接口进行复位。同时，电源管理芯片配合温度传感器测量系统初始化时的温度并将温度值保存为参考温度。等待系统初始化完成后，进入功能按键检测的程序。该程序可以细分为5小块，分别为多媒体功放模块、紧急求助模块、风扇和照明模块、摔倒检测模块和心率监测模块。下面分别叙述各个功能模块的执行流程。

（1）多媒体功放模块

经过功能按键检测后，如果多媒体按键在3 s内被触发1次，将进入DSP的音频解码子程序内部，并对本地存储器存放的文件目录进行遍历一遍，按照歌曲的命名规范进行多曲循环播放。若MCU检测多媒体按键在3 s内连续被触发2次时，系统程序将被跳转进入中断程序标记当前用户操作状态后，程序退出中断程序，进入收音机频道进行播放频道信息。若此时长按该按钮，程序将进入选择频道模式。此时，如果继续连续触发该按钮3次，则程序跳出该模块的程序，重新回到功能按键检测程序中。

（2）紧急求助模块

经过功能按键检测后，如果用户按下紧急求助按钮，系统的最高优先级中断程序被触发。系统进入GPS的子程序中，对当前的位置信息进行处理，并由MCU分析当前数据是否由于误触发引起数据异常。若判断得出为可疑数据，则重新回到GPS的子程序开始进行重新获取位置信息，并把位置数据通过短信的形式下发到紧急联系人中进行数据信息的备份。若数据判断为可信数据，则程序执行GPRS的子程序入口，MCU将获得的位置信息通过GPRS以短信和电话的方式发送给紧急联系人。此后，程序跳转到录像监控的子程序内，对环境进行循环录像。一方面将录像资料备份到系统的存储器中；另一方面通过无线网络将图像上传至云服务器，便于紧急联系人查看。同时，报警信号灯和高音喇叭开始工作。

（3）风扇和照明模块

经过功能按键检测后，如果用户按下照明和风扇按钮时，程序将对伞架上的限位开关的状态进行读取。若伞架是合拢状态时，程序将重新回到功能按键检测，防止电机启动损坏系统元件。若伞架是打开状态，程序将启动风扇电机启动。此时，若连续触发该按钮两次，程序将停止电机运转，开启照明。若再次连续触发该按钮三次，程序将关闭照明和风扇。同时电源管理芯片也实时监测系统各个模块的工作状态，以免由于MCU判断失误，造成意外发生。

（4）摔倒检测模块

经过功能按键检测后，MCU检测发现按钮未被按下的情况下，若电源管理芯片监控得到陀螺仪模块的耗电大，此时程序进入陀螺仪传感器的执行程序中读取前后角度的数值。若比较前后两次的数值发现差值较大，则MCU重新获取GPS的位置信息，并体内各个GPRS发送定位短信告知紧急联系人。否则，系统将重新回到功能按键检测程序。

（5）心率监测模块

经过功能按键检测后，MCU检测发现按钮未被按下的情况下，若MCU检测到心率传感器的数据发生变化，则系统进入测量心率的服务程序。若判断用户测量心率时，双手握住伞柄的动作不规范，程序将重新回到测量心率的程序入口，提醒用户重新规范测量姿势。若MCU判断为规范动作，则系统将开始今昔测量心率。等待数秒系统测试完成后，经过MCU的分析判断当前测量的心率数值是否为正常值范围内。如果心率数值不在正常值范围内，则系统将提醒用户重新测量。如果心率数值将在正常的范围内，系统将通过液晶显示屏显示测量的心率。另外，系统将通过无线网络将数据上传到云服务器，以便紧急联系人了解查看使用者的身体状况。最后系统将退出心率监测，重新回到功能按键检测程序。当用户长时间没有触发系统的外部设备情况下，MCU将进入低功耗模式，电源管理芯片将起着重要的作用。一方面减少系统不必要的电量耗费，另一方面随时等待系统被唤醒，进入正常的工作状态。

4 结 语

为了保障老年群体的外出安全和健康，本文结合老年群体的生活习惯和兴趣爱好，充分地从老年人身体素质的角度考虑，并且联合目前的科技水平，解决传统雨伞在生活使用上的缺陷外，把拐杖的优势嵌入伞内，重新打造出一款拐杖式智能伞。它的智能之处在于系统融入了多种功能，这诸多功能表现在伞体内嵌入多种传感器，通过多种传感器的配合使用，能实时检测老年人所处的周围环境变化，并通过嵌入式单片机分析处理得出最后结果，执行相应的程序操作，以达到及时提醒紧急联系人的目的。拐杖式智能伞的设计给老年人群体带来了很多的便利，它既能充当拐杖的辅助行走用途，也可以起到遮光挡雨伞的作用，并且集合了多媒体功能，让老年群的生活不再枯燥乏味。