智能化行程记录手杖的设计与研究

姚博文,施 夏,刘宇澳

(海口经济学院,海南 海口 570000)

0 引言

随着世界人口的快速增长,人口数量也在稳步增加,相比传统的普通手杖,目前市面上的智能手杖虽然内置了一些功能部件,比如防滑、照明、收音机等,但是功能还需要改进。 例如:当老人发生异常或意外情况时,手杖未能向周围和家人发出求救信号,导致老人无法及时获得救援,需要特殊的智能手杖来帮助老年人安享晚年,准确识别老人异常或突发事故或身体不适,自动向周围发出求救信号,让老人在最短的时间内得到帮助,让家人了解老人的情况,并及时拨打“120”等救助电话。

1 智能化手杖工作原理及结构

智能手杖主要由整个智能拐杖系统控制、监测运动状态的传感器、满足实际环境要求的人机界面、便于与移动终端进行信息传输的无线通信模块、数据信息闪存模块、RTC 时钟模块控制器、传感器、存储和判断程序行为的无线通信模块组成。 智能手杖结构如图1所示。

图1 智能手杖结构

智能手杖的无线充电插座用于补充智能手杖的电量,将无线充电器的卡槽插入智能手杖,即可立即充电。 当老人使用智能手杖时,无线充电器关闭卡槽,充电停止。

电源模块用于为设备提供电能,包括光电转换、动能转换、电池供电、充电及储能管理、可控稳压电路。数据信息可通过电源模块输入,以保证电源的持续供电。

控制器模块根据传感器的状态获取设备当前情况,监测老人是否跌倒、摇晃的次数。 传输信息通过无线通信模块控制RTC 实时时钟,可以为系统提供稳定的时间,RTC 实时时钟也可以在断电的情况下由电池供电。

人机界面模块用于为老人提供报警声、光信号。喇叭提供报警声和时间提醒。 LED 显示报警光信号和低电量信号,以了解意外警报信息、低电池电压信号等情况。

闪存模块用于存储所有有效信息,例如存储定期发送给老人的数据信息以及智能拐杖触地后的报警信息,并实时传输给控制器模块进行计算。

传感器模块用于记录老人的运动状态数据,运动状态具体包括加速度传感器、陀螺仪传感器数据采集和重力方向传感器数据采集。

无线通信模块用于提供包括数据和RSSI 在内的无线广播信号,实现与服务器的数据交互。 移动终端(如手机)中的App 可以远程监控和跟踪智能拐杖。 相关信息通过状态输出终端实时传递给控制器。 当老人遇到突发情况,监护人可以通过手机端App 了解老人的当前状态[1]。

2 智能手杖设计目的

智能手杖的设计目的如下:(1)通过盲导系统中的超声波结合声波和红外线检测障碍物,使用户能够看到前方的道路,更准确地躲开障碍物。 (2)为了让用户记录每天的路线或查看用户的实时情况,路线记录系统允许摄像头记录当天发生的一切,并将其保存到SD卡中。 智能手杖随时远程监控用户情况,了解现场状况或现场的场景。 (3)蜂鸣器警告系统和灯光可以帮助用户在夜间使用时警告别人或吸引别人的注意力[2]。

3 总体结构设计

手杖配备了GPS 模块、GPRS 手机通信模块、MP3播放控制模块等,侧面有信标、控制按钮,背面有扬声器,内置GPS 定位模块和GPRS 通信模块。 智能手杖总体结构,如图2 所示。 导游可随时定位每个游客的行踪并保持联系。 当发生危机时,游客可以得到及时的救助[3]。

图2 智能手杖总体结构

3.1 主要部分设计

防滑手柄在整个摇杆的顶部,LED 灯在防滑手柄的正面,控制开关在顶部中央。 考虑到不同老人的手型和手掌粗细,防滑握把采用人体工学原理,引入个性化设计,根据老人握持习惯,表面磨砂。 防滑手柄拥有MP3 模块、FM 收音机和STM32 控制器。 所有物理按键都在防滑握把上。 为增加实用性,外部采用PC 材料制成。 外部添加了磨砂饰面以增加安全性。

管道伸缩杆由两部分组成,上粗伸缩杆与防滑把手顶部相连,下细伸缩杆为防滑把手下部,配有减震防滑橡胶垫。 两根伸缩杆中间用固定螺母连接,粗壮的伸缩杆有多个可调节定位孔。 智能手杖缩回最短63 cm,最长97 cm。 伸缩杆1 外径22 mm,内径20 mm;伸缩杆2 外径19 mm,内径17 mm。 伸缩杆高度(10级)可调,两个调节孔的中心距为25 mm。

管道缩杆材质型号为5052-H112。 长度允许偏差±0.5 mm,柱长允许偏差±1.0 mm,端坡允许偏差-1.5 mm,孔位允许偏差±0.5 mm;毛刺必须去除。 沉孔缸盖和螺钉的尺寸必须符合相关规定国家标准。

3.2 减震防滑脚垫设计

减震防滑脚垫附在底部伸缩杆上,其主要作用是吸收震动,增加杆与地面的摩擦力,防止老人滑倒。 减震防滑脚垫所用材料一般可分为以下几种:醋酸硅橡胶塑料垫片、丁基橡胶塑料垫片、丁腈橡胶塑料垫片、三元二氯乙丙橡胶塑料垫片、氯丁橡胶塑料垫片、聚氨酯丁腈橡胶塑料垫片、氢化氯丁橡胶塑料密封件和氟化硅橡胶塑料密封材料密封件。

4 智能手杖核心功能设计

老人智能手杖应减少一些娱乐功能,而主要关注老人的安全需求,如对未知环境危害的检测和预警,突然跌倒时的报警和帮助。 (1)危害监测预警。 使用大数据分析,监测用户自身健康和环境;提醒用户达到有效规避危险的效果。 手杖配有压力传感器和热敏电阻,可以随时随地监测老人的心率、血压等身体指标。手杖附有超声波扫描仪,检测身体环境,分析评估障碍物的危险。 (2)跌倒报警和求助。 手杖监测老年用户跌倒动作,跌倒后立即报警,通知亲属和最近的医疗机构,手柄有加速度计和磁传感器。 前者采集人体三轴加速度数据,后者采集人体躯干倾斜信息和老年人跌倒情况。 手杖发现用户的位置和跌倒信息,可以通过远程传输设备传输到连接的移动设备[4]。

5 智能化手杖硬件设计

多功能智能拐杖主要采用单片机技术,具有红外测距、报警、倾斜等功能。 智能拐杖的硬件主要由角度传感器、热释电传感器、蜂鸣器和89S52 组成。 系统硬件设计,如图3 所示。

图3 系统硬件设计

电磁蜂鸣器主要由振荡器、电磁线圈、振膜、磁铁和外壳等组成。 当开关打开时,音频信号电流从振荡器通过螺线管流动,产生一个磁场和振动膜片周期性振动,相互作用时发出声音。 因为蜂鸣器需要一定的电流来驱动,单片机I/O 管脚的输出电流很小,所以单片机的TTL 输出电压基本不能驱动蜂鸣器,于是在蜂鸣器上加了一个三极管,蜂鸣器的正极接VCC 蜂鸣器的负极,蜂鸣器的负极接三极管的发射极E,控制基极B 为电流从P33 脚通过限流电阻R7 连接。 此时,单片三极管Q2 正常关断后,线圈无电流流过,蜂鸣器不响。 当P3.3 输出低电平时,三极管导通时,蜂鸣器电流循环并发出声音。 用户可以使用程序控制蜂鸣器的声音。

人体热释电红外传感器工作原理基于热释电效应。 人体的体温恒定在37 ℃左右,所以它通过发射约10 μm 的红外光来工作。 红外感应源采用了热释电元件,通过菲涅耳滤光片放大约10 μm 的红外线并将其集中在红外感应源上。 人体一进入感应区域,人体的红外线就聚焦在镜面上,报警信号经单片机处理后,由热释电元件接收。

6 系统软件功能

智能拐杖软件主要包括复位设置、GPS 定位设置、在线监控、电子围栏、家庭号码设置、帮助等功能。

根据个人情况填写相应的内容,确保手杖上安装的GPS 定位功能已打开,根据GPS 位置确定手杖的位置。 当手杖倾斜时,蜂鸣器响起,硬件电路会打开报警。 1 分钟后,硬件电路电机自动拨打预设电话以获取进一步帮助。 用户也可以在设置界面使用电子围栏,超过设置范围时会显示报警提示。

GPS 定位分为在线监测和电子围栏设置两部分。在线监控功能可以通过3 种方式找到用户:地图、卫星和3D。

行程记录系统主要由摄像头、移动家庭终端和存储功能组成。 当用户打开设备时,该功能可正常使用。手杖通过摄像头记录用户每天的出行路线。 用户不仅可以远程查看用户端发生的事情,还可以通过记忆功能保存重要数据。 对于老年人或患有痴呆症、健忘症的人,家属可以通过摄像头和GPS 定位系统看用户所在位置和现场情况,以便更快地找到用户并将风险降至最低限度。 路线记录仪可以记录用户所发生的一切,还可以通过摄像头功能记录路上的美景。

7 智能手杖市场调研

本研究收集淘宝购物平台信息,统计产品特点及价格,选择有代表性的产品进一步分析优缺点。 经调查,部分调查者有摔倒的情况,部分调查者表示该手杖较智能。 安全防护需求占比最大。 老年人疾病很多,如眼部疾病、耳部疾病等。 设计者要考虑老年人的视力和听力问题。

8 结语

随着大数据、云计算、人工智能等技术的不断发展,老年智能产品也在不断更新。 人们对智能手杖的期待也在发生变化。 设计巧妙的产品能提高老人的幸福感。 智能多功能手杖的新技术和创新设计受到众多老年人和年轻人的青睐。 该设计功能齐全、使用寿命长、成本低,能满足用户的需求,具有广阔的市场前景。