老年人多功能智能拐杖的設計與實現

摘要：現有市場上老年人使用的拐杖結構簡單、功能單一，無法實現實時監控、及時求救等功能，由于近年來老年人摔倒不能得到及時的幫助和老年人走失的情況越來越多，為了保證老年人出行安全，在緊急情況能得到及時幫助、便于監護人及時監控和尋找。本文以單片機89C52為主控件，設計了一款具有GPS定位、呼叫電話、報警系統、LED照明燈、MP3等功能的智能拐杖，該設計操作簡單、成本較低，具有較強的實用性和市場價值。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/276358.htm

關鍵字：智能拐杖；GPS；報警

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.6.011

1 概述

現階段，我國已經進入老齡化社會，按照國家規定，65周歲以上的人確定為老年，2011年我國老年人口比重達13.7%，2013年我國60歲以上老年人口已突破2億，預計未來20年我國老年人口將進入快速增長期，到2050年老年人口將達到全國人口的三分之一。老齡化問題不僅給每個家庭帶來了困惑，也給予社會極大壓力。老年人隨著年齡增長，記憶力、視力不斷下降，腿腳也越來越不靈活，反應逐漸遲鈍等，出行不便，最近幾年老人走失情況越來越嚴重，在網絡和微博上經常會看到尋找走失老人的新聞。據調查，65歲以上老人中至少有30%的人曾經摔倒?；谏显V這些問題，本文設計了專門為老年人而設計的智能拐杖。本設計工作的基本原理：（1）利用GPS定位功能隨時確定使用者位置；（2）使用者可以調節燈光的遠近，方便夜間行走；（3）當使用者摔倒時，報警系統開啟報警功能，以便使用者可以得到及時的幫助，同時向監護人發送求救或者撥打相應的電話求救，對老年人出現意外事故時提供切實有效的幫助；（4）通過熱釋電紅外線測量拐杖與使用者之間的距離，提醒使用者及時的使用拐杖或便于使用者尋找。

2 硬件設計

2.1 系統功能實現原理

多功能智能拐杖主要利用單片機技術，是一款具有紅外線測距、報警、傾斜等多功能的智能收縮拐杖。智能拐杖硬件主要由角度傳感器、熱釋電傳感器、蜂鳴器、89S52單片機控制電路組成。系統硬件組成示意圖如圖1所示。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 SCA60C角度傳感器工作原理

本設計以89S52單片機為控制核心，用SCA60C單軸傾角傳感器測量拐杖的平衡狀態。角度傳感器的連接如圖2所示，當拐杖處于平衡狀態時，角度傳感器SCA60C與水平面成0°，V_out端輸出0.5V的模擬電壓。當拐杖垂直于地面時，角度傳感器SCA60C與水平面成90°，此時V_out輸出+5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅能精確檢測到0～90°的范圍，在此范圍之內，V_out端輸出的是正比于傾角大小的+0.5V～+5V的模擬電壓信號，因此可以通過測定傳感器SCA60C輸出端V_out電壓的大小即可確定拐杖與水平面的角度。

2.2.2 蜂鳴器驅動原理

電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線圈、振動膜片、磁鐵及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發出聲音。由于蜂鳴器的發聲需要一定電流才能驅動它，單片機I/O引腳輸出電流較小，因此單片機輸出TTL電壓基本上驅動不了蜂鳴器，所以通過添加一個三極管來驅動放大蜂鳴器。如圖2所示，蜂鳴器正極接到V_CC，蜂鳴器的負極接到三極管的發射極E，基極B經過限流電阻R7后由單片機的P3.3引腳控制，當P3.3輸出高電平時，三極管Q2截止，此時沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發聲，當P3.3輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發出聲音。因此，可以通過程序控制P3.3引腳的電平來控制蜂鳴器的聲音。

2.2.3 人體熱釋電紅外傳感器的工作原理

熱釋電紅外傳感器都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器，人體都有37。左右的恒定體溫，所以會發出10μm左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光鏡增強后聚集到紅外感應源上，紅外感應源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷。一旦人體進入探測區域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接受，經單片機處理后而產生報警。

3 系統軟件功能

智能拐杖軟件部分主要包括：初始化設置、建立GPS定位、在線監控、電子圍欄、親情號設置、求助等功能。

3.1 軟件框圖設計

智能拐杖的功能框如圖3所示。

監護人可以通過web端或手機客戶端進入該軟件界面，如果是初次使用，首先進行初始化的設置。

根據自身情況填寫相關的內容，判斷安裝在拐杖中的GPS定位功能是否開啟，如果開啟，可以根據GPS定位得知此時拐杖所在的位置，當拐杖歪倒時，硬件電路中的蜂鳴器開啟發出報警：當超過1分鐘，通過硬件電路電機自動撥通預先設置好的電話，得到進一步求助。也可以在界面中設置電子圍欄，當超出所設定的范圍，進行報警提示。

3.2 呼叫設置

該設置最多可設置4個號碼，用戶可以根據自己的需求設置號碼，SOS按鍵可設置緊急呼叫。呼叫設置界面如圖4所示。

3.3 GPS定位功能

GPS定位分為在線監控和電子圍欄設置兩部分，在線監控功能可以通過地圖、衛星、三維三種方式進行定位。地圖實時監控界面如圖5所示。

4 拐杖外觀的設計

（1）拐杖設計有鋁合金伸縮桿，高度可從65cm-98cm進行調節，重量為320g，適合更多人群。

用法：用手壓下鋁合金桿上的按鈕，上下移動較細的鋁合金低桿，將按鈕扣入到較粗鋁合金桿對應的孔位中，以滿足不同身高人群的使用需求，高度調節好了后，將鎖環鎖緊固定。

（2）照明、閃光

用法：手柄頂部推鈕開關操作模式：開關一檔，白光LED燈照明；第二擋，白光LED照明+紅光LED燈閃光警示；第三檔，關。

（3）MP3功能

用法：用手指輕按手柄側面中間MP3控制按鈕，MP3即處于工作狀態。此時用手指輕按左右按鍵，即可實現選中音樂。用手指輕按MP3上下音量控制按鍵，即可調節聲音大小，以適合的音量大小進行音樂的收聽。

（4）充電

用法：將充電一端插入產品DC口，另一端接入標準5V輸出USB母座，即可對產品內部充電電池充電。此時充電紅色指示燈亮，充滿電后指示燈熄滅。

（5）GPS定位、電話、報警功能

用法：將拐杖的GPS定位功能開關打開，即可進行定位功能的實現，監護人可以通過web端和手機客戶端登錄GPS定位平臺查看使用者的具體位置。同時可以通過按鈕1、2、3進行撥通預先設置好的電話。監護人也可以撥通拐杖內置的電話卡號，通過接通電話進行接聽。當拐杖倒了以后，蜂鳴器自動發出報警聲音，當人離開拐杖時，蜂鳴器發出滴滴的提示聲音。拐杖的整體外觀設計如圖6所示。

5 結束語

本設計針對老年人的心理和生理進行研究，設計了這一款具有功能多樣化、技術新穎、市場針對性強，通過對樣機的測試，主要實現了如下功能：

（1）GPS定位功能，監護人可隨時確定使用者的具體位置。監護人可以通過GPS定位界面監控使用者的活動軌跡，實現連續實時定位。

（2）監護人可以設置電子圍欄，當超出所設定范圍時，開啟報警功能，必要時呼叫監護人，發出求助信息。

（3）當拐杖傾倒，蜂鳴器開啟，超過1分鐘，將呼叫監護人或SOS求救信號，以便得到及時的幫助。

（4）LED照明燈、MP3、伸縮等基本功能。

設計中采用符合人機曲線橡膠把手，在使用時為其提供最大限度的安全舒適。隨著社會發展和生活水平提高，關心和改善老年人的生活質量是大勢所趨，該設計功能全、重量輕、操作簡單、可靠使用、成本低，能滿足普通老百姓的購買能力和功能需求，具有廣闊市場前景。