一种老年人平衡车旅行箱设计

陈小青，叶汉金，张 怡，曾甜甜，张静静

（莆田学院，福建 莆田 351100）

0 引言

近年来，我国老龄人口逐年上升，老年市场规模逐年扩增，相应市场需求也随之扩大。由于老年人的身体方面等原因，在外出途中不易携带较为沉重的行李。当前市场上出现的传统旅行箱，仅能解决基本的收纳与便携需求，在实际使用过程中，并不能良好地解决老年人轻松出行、精神享受与安全隐患等方面的问题。为此，开发出一款智能产品，将代步工具与旅行箱相结合，发挥“互联网+”物物相连模式，能够在巧妙地解决老年人出行问题同时，提高出行质量。目前市面的已出现的智能旅行箱，功能单一，结构简单，不能较好地解决老年人的出行问题。因此设计出一款将平衡车与旅行箱相结合的产品，不仅能满足老年人外出携带行李的基本需求，还可以为该用户群体提供更加优质且人性化的服务。在满足行李携带的基本需求以外，增加了FM 收音机的娱乐功能，丰富老年人的生活。其次，为保障老年人的出行安全，还需要配备紧急呼救系统，来保证老年人出行时遇到的突发情况。此外，还增设了GPS 定位导航系统，不仅可以为老年人提供方向指示，还可以通过与其监护人的手机app 绑定，方便监护人实时了解老人情况。最后，通过配备指纹防盗的安全系统，来保证老年人在路途中的财产安全，最大限度方便老年的各种旅行的需求。

1 总体方案设计

本产品通过超声波传感器对周围环境扫描感应，行李箱能自行避让障碍物，减少产品的磕碰和降低损坏率；并将周围环境信息进行处理，智能判断使用者所处环境信息，若发现危险，将自动触发报警系统，切实保障使用者安全；产品设计中还充分发挥了“互联网+”优势，实现‘物物相连’，开发相应APP 将行李箱位置信息同步到使用者手机上，即使不慎遗落产品，也能快速找回；同时为了提升旅途质量，还专门设置了FM 收音功能，可根据自己喜好调换不同频道；此外，开锁方式不局限于传统的行李箱，还增加了指纹防盗设计，既保障了使用者自身权益还简化了使用者的开锁步序。

2 系统设计

老年人平衡车旅行箱采用一款可折叠的平衡车底座，并以单片机为中央处理器，分别控制障碍探测模块、GPS 定位模块、FM 收音机模块，以及为了保障老年人的人身安全而设计的指纹防盗和SOS 紧急呼救模块。使用者可以通过旅行箱上的功能按键，对GPS 导航、FM 收音机、SOS 紧急呼救三大功能进行随意切换。旅行箱底座通过车架、连接块与限位杆之间的滑动连接实现可折叠的使用功能；障碍探测采用HC-SR04 超声波模块进行距离测量，并结合DS18B20 模块，对温度的变化实时监测，防止温度对超声波传播速度的影响；定位模块将GPS 系统与GLONASS 系统相结合以提高定位的准确度和人性化的服务功能；FM 收音机模块采用Si4703 芯片与单片机实现串行通信；指纹防盗采用射频指纹技术，从信号的瞬态部分提取指纹；SOS 紧急呼救模块支持手动报警与自动报警，用户可以通过旅行箱上的功能按键触发报警功能，当用户出现特殊情况，通过GPS 模块提供的位置数据，发送信息给GSM 的远程接收系统。具体如图1。

图1 老年人平衡车旅行箱框架结构图

3 详细设计

3.1 平衡车底座

可折叠平衡车底座[1]大体有车架底座、车架、连接块以及脚垫组成，其中转动块连接在车架上，定位块链接在连接块的顶部。定位块的内侧连接推板，滑块内侧转动左右两端分别设置两个连接杆。推板连接到连接杆的另一端外侧使其可以转动，连接滑块、推板与车架依次相互滑动连接。限位杆滑动连接在推板内测，限位杆与连接块固定连接。限位杆外出滑动连接第一弹簧，推板与第一弹簧滑动连接，第一弹簧滑与连接块滑动连接。固定块滑动连接在车架内测上端，脚垫与该固定块固定连接，车架与该脚垫滑动连接，该固定块内测与定位杆滑动连接，定位杆下端固定连接限位块，限位块固定连接第二弹簧。固定块与该第二弹簧滑动连接，脚垫与该定位杆滑动连接，该定位杆顶端固定连接有踏板，脚垫与该踏板滑动连接，该固定块靠近连接块中心的一端外侧滑动连接有第三弹簧，车架与第三弹簧滑动连接。限位块以凸状设置，该限位块有两个，该限位块呈对称分布在固定块内侧左右两端，且限位块的对称轴与固定块的中心轴重合。推板有两个，且推板呈L 状设置，该推板呈对称分布在连接块左右两端。具体如图2。

图2 老年人平衡车旅行箱底座设计图

3.2 障碍探测模块

障碍探测模块选用超声波传感器对障碍进行测量。超声波监测具有简单、便捷实时控制性强的特点，在测量距离、测量角度等方面能够满足实际需求。在本设计中采用HC-SR04 超声波模块，测量距离为2～400 cm，测量角度为30°，测量精度为3 mm，性能稳定，盲区小，该模块的在机器人避障，智能小车避障等应用领域颇有成效。超声波传感器测障通过发射管发出超声波，在遇到障碍物后，超声波被反射回来给接收器，根据是否收到反射波、接收时间和超声波传播速率判断是否存在障碍；超声波传播速率受温度的影响较大，需要进行温度补偿。在本系统中采用了DS18B20 模块，对温度实时检测，通过软件设计部分对温度做一定的补偿。

3.3 GPS 定位模块

本设计中利用GPS 功能为产品进行定位，从而判断使用者的位置。GPS 卫星采取直接序列扩频方式调制信号，并设置扩频码的周期为7 天的精密码和周期为1 ms 的截获码，最后测量四个卫星发送信号到接收端接收信号的时间来计算目标位置信息。为消除传统GPS 接收信号的延迟问题，设计还采用了卡尔曼滤波的新型捕获算法来减少信号跟踪丢失率，提升在不同工作环境下的信号稳定概率。此外，对接收机后端的信号作出的算法改进使接收端具有较高的灵敏度。为进一步提高定位数据，设计中还将GPS 系统与GLONASS 系统进行结合以达到较高的服务功能。

3.4 FM 收音机模块

该产品通过配置FM 收音机模块，实现智能搜索频道的功能。通过集成式Si4703 芯片，使单片机与FM 收音机模块可以实现串行通信。该芯片基于数字化架构，不必通过人工操作的方式便可以进行调校，具有自动化的电台搜索与调整能力。使用Si4703 芯片只需与少量的电路元器件进行连接便能嵌入本产品的电路中，实现FM 收音机功能。本产品使用Si4703 的3 种控制模式中的默认方式，即与IIC 总线兼容的2 线串行控制模式[2]，当时钟信号为高电平，将数据信号从高电平转换为低电平的有效时间内，启动并传送数据，直到读到停止指令后终止工作。

3.5 指纹防盗模块

在考虑到旅行环境与技术成本下，我们排除了对环境湿度与温度有一定要求的光学式指纹模块识别技术，以及实现难度较大的电容式指纹技术，该产品最终选用基于信号的射频指纹技术。该技术主要依赖传感器自身发出微量的信号，通过穿透用户的表皮层来提取指纹纹路，从而捕捉到清晰的指纹图像，最后在与储存库中的指纹数据进行筛选对比，以保证指纹的准确性，防止不合法的用户使用该旅行箱。

3.6 SOS 紧急呼救模块

SOS 紧急呼救模块采用GSM+GPS 报警系统[3]。当用户按下SOS 紧急呼救按键时，GPS 模块负责记录准确位置，GSM 模块可根据预先设置的电话号码发送信息至紧急联系人手机并监听事故现场的信息，负责发送位置信息给紧急联系人，实现SOS 紧急呼救功能。

4 平衡车旅行箱紧急呼救系统的实现过程

当遇到紧急情况时，用户可以快速按下平衡车行李箱手柄处的SOS 紧急呼救按钮。平衡车旅行箱通过集成导航型GPS 接收机，信号通道从天线接受信号，并通过前置放大器，将信号频率放大，GPS 接收机中的计算单元将定位卫星接收到的星历计算成地理位置的经纬度坐标。为了防止高纬度地区的定位出现问题，利用GPS 与GLONASS 组合定位算法[4]，进一步提高定位的精确度。该算法的具体实现如下：

假设分别在同一时刻对GPS 卫星和GLONASS 卫星进行观测，分别设为i、m、j、n，其中j 和m 是GSP 卫星，j、n 是GLONASS 卫星，得到的双差观测方程[4]为：

把距离作为单位，公式（1）与（2）可表示为：

其中▽、▽△分别表示为单差算子和双差算子，载波相位观测值φ、载波波长λ、卫地距离ρ、载波相位观测值φ、卫星频率f与载波相位模糊度N的关系如以上公式所示。

经过把公式（1）和公式（2）合并，接收机钟差δt被消去，所以该算法可以消除卫星接收机中的钟差的影响，减小因星历误差而导致的定位差错。

单片机将通过串口从GPS 模块获取用户所在位置的经纬度信息报文，并将该信息以编码的形式发送给GSM 模块。GSM 模块初始化完成后，一直在等待单片机发送紧急呼救信息，当用户操作后，GSM 读取报警信息，根据预先设置的电话号码发送信息至紧急联系人手机。如果是老人误按紧急呼救按钮，只需要连续再按两次，手柄震动，单片机将会控制GSM 模块发送误报信息给紧急联系人，防止联系人担心老人的安危。

5 老年人平衡旅行箱的优点以及注意事项

本设计采用了可折叠的平衡车底座来实现旅行箱与代步工具的相结合，解决了传统旅行箱携带出行不方便的问题。同时配备的HC-SR04 超声障碍探测，GPS+GLONASS 系统导航与GSM+GPS 相结合的SOS紧急呼救系统，从安全可靠方向保证了老人的智能旅行，安心出行。另外，FM 智能收音机，RF 指纹技术的防盗系统设计从亲和便捷方式满足了老年人娱乐需求，保障了老年人的自身权益，也简化了开锁程序。各功能的实现紧随“物联网时代”的脚步，用“物物相连”从各个方面最大限度地满足老年人各中旅行需求。但是在特殊的环境下与崎岖不平的道路与爬式阶梯中，还存在着GPS 定位不准确与操控较为困难的问题。

6 结语

设计的老年人平衡车行李箱，通过将行李箱与平衡车的结合，解决了老年人行李搬运过程中的劳累和不便；同时结合了指纹解锁和GPS 技术，解决了行李箱丢失问题，也避免了老年人丢失的问题；针对老年人这一群体特别增加了收音机、障碍检测和SOS 紧急呼救的功能，满足了老年人娱乐需求，对老年人的安全进行一定的保障。该老年人平衡车行李箱为老年群体提供智能化及便捷化的服务，在满足实际出行需求的同时，提供高品质的精神服务，为携带过多行李出门的老年人提供一款与时代共同进步的新时代产品，方便了老年人的出行，对于智能行李箱市场的开拓和老年人智能设备设计、研发具有一定的应用价值。