老年人多功能智能拐杖的设计与实现

1 概述

　　现阶段，我国已经进入老龄化社会，按照国家规定，65周岁以上的人确定为老年，2011年我国老年人口比重达13.7%，2013年我国60岁以上老年人口已突破2亿，预计未来20年我国老年人口将进入快速增长期，到2050年老年人口将达到全国人口的三分之一。老龄化问题不仅给每个家庭带来了困惑，也给予社会极大压力。老年人随着年龄增长，记忆力、视力不断下降，腿脚也越来越不灵活，反应逐渐迟钝等，出行不便，最近几年老人走失情况越来越严重，在网络和微博上经常会看到寻找走失老人的新闻。据调查，65岁以上老人中至少有30%的人曾经摔倒。基于上诉这些问题，本文设计了专门为老年人而设计的智能拐杖。本设计工作的基本原理：(1)利用GPS定位功能随时确定使用者位置;(2)使用者可以调节灯光的远近，方便夜间行走;(3)当使用者摔倒时，报警系统开启报警功能，以便使用者可以得到及时的帮助，同时向监护人发送求救或者拨打相应的电话求救，对老年人出现意外事故时提供切实有效的帮助;(4)通过热释电红外线测量拐杖与使用者之间的距离，提醒使用者及时的使用拐杖或便于使用者寻找。

2 硬件设计

2.1 系统功能实现原理

　　多功能智能拐杖主要利用单片机技术，是一款具有红外线测距、报警、倾斜等多功能的智能收缩拐杖。智能拐杖硬件主要由角度传感器、热释电传感器、蜂鸣器、89S52单片机控制电路组成。系统硬件组成示意图如图1所示。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 SCA60C角度传感器工作原理

　　本设计以89S52单片机为控制核心，用SCA60C单轴倾角传感器测量拐杖的平衡状态。角度传感器的连接如图2所示，当拐杖处于平衡状态时，角度传感器SCA60C与水平面成0°，Vout端输出0.5V的模拟电压。当拐杖垂直于地面时，角度传感器SCA60C与水平面成90°，此时Vout输出+5V的模拟电压。传感器SCA60C仅能精确检测到0~90°的范围，在此范围之内，Vout端输出的是正比于倾角大小的+0.5V~+5V的模拟电压信号，因此可以通过测定传感器SCA60C输出端Vout电压的大小即可确定拐杖与水平面的角度。

2.2.2 蜂鸣器驱动原理

　　电磁式蜂鸣器主要由振荡器、电磁线圈、振动膜片、磁铁及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发出声音。由于蜂鸣器的发声需要一定电流才能驱动它，单片机I/O引脚输出电流较小，因此单片机输出TTL电压基本上驱动不了蜂鸣器，所以通过添加一个三极管来驱动放大蜂鸣器。如图2所示，蜂鸣器正极接到VCC，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，基极B经过限流电阻R7后由单片机的P3.3引脚控制，当P3.3输出高电平时，三极管Q2截止，此时没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声，当P3.3输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制P3.3引脚的电平来控制蜂鸣器的声音。

2.2.3 人体热释电红外传感器的工作原理

　　热释电红外传感器都是基于热电效应原理的热电型红外传感器，人体都有37°左右的恒定体温，所以会发出10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光镜增强后聚集到红外感应源上，红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷。一旦人体进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接受，经单片机处理后而产生报警。

3 系统软件功能

　　智能拐杖软件部分主要包括：初始化设置、建立GPS定位、在线监控、电子围栏、亲情号设置、求助等功能。

3.1 软件框图设计

　　智能拐杖的功能框如图3所示。

　　监护人可以通过web端或手机客户端进入该软件界面，如果是初次使用，首先进行初始化的设置。

　　根据自身情况填写相关的内容，判断安装在拐杖中的GPS定位功能是否开启，如果开启，可以根据GPS定位得知此时拐杖所在的位置，当拐杖歪倒时，硬件电路中的蜂鸣器开启发出报警;当超过1分钟，通过硬件电路电机自动拨通预先设置好的电话，得到进一步求助。也可以在界面中设置电子围栏，当超出所设定的范围，进行报警提示。

3.2 呼叫设置

该设置最多可设置4个号码，用户可以根据自己的需求设置号码，SOS按键可设置紧急呼叫。呼叫设置界面如图4所示。

3.3 GPS定位功能

　　GPS定位分为在线监控和电子围栏设置两部分，在线监控功能可以通过地图、卫星、三维三种方式进行定位。地图实时监控界面如图5所示。

4 拐杖外观的设计

　　(1)拐杖设计有铝合金伸缩杆，高度可从65cm-98cm进行调节，重量为320g，适合更多人群。

　　用法：用手压下铝合金杆上的按钮，上下移动较细的铝合金低杆，将按钮扣入到较粗铝合金杆对应的孔位中，以满足不同身高人群的使用需求，高度调节好了后，将锁环锁紧固定。

　　(2)照明、闪光

　　用法：手柄顶部推钮开关操作模式：开关一档，白光LED灯照明;第二挡，白光LED照明+红光LED灯闪光警示;第三档，关。

　　(3)MP3功能

　　用法：用手指轻按手柄侧面中间MP3控制按钮，MP3即处于工作状态。此时用手指轻按左右按键，即可实现选中音乐。用手指轻按MP3上下音量控制按键，即可调节声音大小，以适合的音量大小进行音乐的收听。

　　(4)充电

　　用法：将充电一端插入产品DC口，另一端接入标准5V输出USB母座，即可对产品内部充电电池充电。此时充电红色指示灯亮，充满电后指示灯熄灭。

　　(5)GPS定位、电话、报警功能

　　用法：将拐杖的GPS定位功能开关打开，即可进行定位功能的实现，监护人可以通过web端和手机客户端登录GPS定位平台查看使用者的具体位置。同时可以通过按钮1、2、3进行拨通预先设置好的电话。监护人也可以拨通拐杖内置的电话卡号，通过接通电话进行接听。当拐杖倒了以后，蜂鸣器自动发出报警声音， 当人离开拐杖时，蜂鸣器发出滴滴的提示声音。拐杖的整体外观设计如图6所示。

5 结束语

　　本设计针对老年人的心理和生理进行研究，设计了这一款具有功能多样化、技术新颖、市场针对性强，通过对样机的测试，主要实现了如下功能：

　　(1)GPS定位功能，监护人可随时确定使用者的具体位置。监护人可以通过GPS 定位界面监控使用者的活动轨迹，实现连续实时定位。

　　(2)监护人可以设置电子围栏，当超出所设定范围时，开启报警功能，必要时呼叫监护人，发出求助信息。

　　(3)当拐杖倾倒，蜂鸣器开启，超过1分钟，将呼叫监护人或SOS求救信号，以便得到及时的帮助。

　　(4)LED照明灯、MP3、伸缩等基本功能。

　　设计中采用符合人机曲线橡胶把手，在使用时为其提供最大限度的安全舒适。随着社会发展和生活水平提高，关心和改善老年人的生活质量是大势所趋，该设计功能全、重量轻、操作简单、可靠使用、成本低，能满足普通老百姓的购买能力和功能需求，具有广阔市场前景。

参考文献：

　　[1]方仁杰, 朱维宾. 基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测量与控制, 2011, 19(5): 1154-1157

　　[2]李娜. 基于MCU的智能定位报警拐杖研究[J]. 电子设计工程, 212, 20(8): 112-114

　　[3]魏庆丽, 许鹏，李军，隋宇鹏，方远韬。基于MSP430的GPS定位智能拐杖设计[J]. 2012,30(9)：445-449

　　[4]杨国建, 石秀娟, 潘鸿雁, 孟庆鑫，程万鹏.基于SPCE061d的智能盲人导航系统[J]. , 工业控制计算机，2010, 23(3): 93-94

　　[5]刘升平,王剑,葛红. 超声波测距系统的开发与研究[J]. 计算机工程与应用. 2009(25)

　　[6] 陈言. 一种多功能智能拐杖的设计 [J]. 艺术与设计 (理论), 2010, 2: 076

　　[7] 朱伟, 万福成, 杨土明. 老年人拐杖的智能设计研究[J]. 长江大学学报 (自然版) 理工上旬刊, 2014 (8)