基于物聯網的智能手杖的設計

符長友　賈金玲　劉暢

摘 要： 為了讓老年人安全出行，通過智能手杖來實時感知其出行情況。針對現有智能手杖的缺陷與功能不足，提出并采用振動與電容傳感器、嵌入式微處理器、GPS全球定位、3G無線通信等技術，設計出一款全新的基于物聯網的智能手杖。詳細闡述其工作原理、系統構成、硬件模塊設計與軟件設計以及測試結果。實踐表明，基于物聯網的智能手杖靈敏度高、響應快，能有效判定老人是否摔倒，若老人摔倒，智能手杖自動向周圍及家屬并發出求助信息，使老人能及時得到救助。

關鍵詞： 智能手杖； 物聯網； 3G無線通信； 實時感知

中圖分類號： TN711?34； TP249 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0090?05

Abstract： In order to make the old travel safely， it is necessary to perceive the real?time travel situation by smart walking cane automatically. A new smart walking cane based on Internet of Things （IOT） is proposed to overcome the defects and functional deficiency of the traditional walking cane. Some vibration sensors， capacitance sensors， embedded microcontroller， GPS， 3G wireless communication and so on are adopted in the new cane. The working principle， system structure， hardware modules design， software design and testing results of the smart walking cane based on IOT are described in detail. The application result shows that the smart walking cane based on IOT has high sensitivity and fast response， and can effectively monitor whether the elderly has fallen down. If this happen， the smart walking cane will send out the information for help to passerby and his family members， so that the elderly will get rescued in time.

Keywords： Smart Walking Cane； IOT； 3G wireless communication； real?time perception

0 引 言

隨著我國老齡化形勢進一步加劇，到2040年，65歲及以上老年人口占總人口的比例將超過20%，到2050年，我國老年人口將超過4億人，老齡化水平將達到30%。老年人口高齡化趨勢日益明顯，80歲及以上高齡老人正以每年5%的速度增加[1?4]，到2040年將增加到7 400多萬人。老年人的安危，是子女和親人最關心的問題。為了讓更多老年人安全出行，讓家人減少一份擔心以及安心工作、舒適生活，需要一種儀器能時刻關注老年人的出行、感知老年人的行為。由于老年人出行時常攜帶一根手杖，為此結合當今的物聯網技術，提出并設計一款基于物聯網的智能手杖。

目前市面上的智能手杖與傳統的普通手杖相比，功能上雖然有了很大的改進或改良，比如有的加裝了防滑、照明、收音機等功能部件，但仍缺少人性化關懷功能，如無法準確判定老人是否跌倒或身體突然不適等異常或突發情況[5?6]。如果老人出現異常或突發情況，手杖無法向其周圍、家人發出求助信號，使老人失去得到及時的救護。因此老年人迫切需要關懷性更強、服務功能更多的智能手杖。

利用傳感器、嵌入式微處理器、GPS全球定位、3G無線通信技術等技術，設計出一款全新的基于物聯網的智能手杖。該手杖不僅能準確判定老人的意外跌倒或身體不適等異?；蛲话l情況，并能自動向其周圍發出求助信號，使老人能在最短時間內得到及時救助。同時，并將老人所處的地理位置及時通過3G發送消息到其多個家人的手機上，使家人能在最短的時間掌握、知曉老人的情況，并及時撥打“120”等救助電話。

1 工作原理

基于物聯網的智能手杖（正常使用時，手杖上的腕帶套在老人的手腕上）主要功能有兩個：準確監測并判定老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l情況；監測到老人發生了異常或突發情況，智能手杖發出有效的救助信號。因此第1個功能是最基本的，同時也是重要的。如何有效監測并判定老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l情況，需通過電容傳感器、振動傳感器來實現，其工作原理如下。當手杖上端的開關電源打開后，首先由電容傳感器來判定老人是否手持手杖。在手杖的手柄處，安裝一個電容傳感器：手柄處嵌入一塊金屬片，作為電容傳感器的一個電極，而腕帶（里面嵌入一塊可折疊的軟金屬片）作為其另一個電極。所產生的電容為：[C=][ε Ad=ε0 εr Ad] 。其中ε0=8.854×10-12為恒定的真空介電常數，εr為變化的材料介電常數，A為手柄上的電極面積（固定值），d為2個電極之間距離（對智能手杖而言，如果老人沒手持手杖，d則是一個相對的固定值；如果老人持有手杖，腕帶可能隨時在動，d則是變化值）。如果老人手持手杖，由于有手的介入，εr值將會發生改變，同時d也是一個變化值，從而造成電容C也會隨之而改變。這樣，就可實時、準確地感知老人是否手持手杖。

然后再使用振動傳感器可檢測出老人使用手杖的情況。在手杖的底部安裝一個精密的振動傳感器。當手杖使用時，只要有輕微振動或抖動，振動傳感器立即產生一個方波信號，系統微處理器可立刻檢測到該信號，即表示手杖正在使用。再結合電容傳感器，針對老人是否使用手杖，下面分3種情況來詳細闡述：

（1） 當手杖脫手并處于靜止狀態。在這情況下，有可能是老人沒使用手杖而將其放置一旁，也有可能是老人意外跌倒等而造成手杖脫手。當系統微處理器檢測到振動傳感器的輸出信號沒有變化時，并立即自動計時。如果30 s內振動傳感器的輸出信號仍一直未改變，手杖自動發出“滴滴”的比較弱小的報警聲和狀態顯示LED燈閃爍顯示，提示老人是否繼續使用手杖。如果老人當前確實不需要使用手杖，則關閉手杖電源開關即可。如果老人需要使用手杖，前去拿起即可，“滴滴”的報警聲則自動消失和狀態顯示LED燈閃爍顯示關閉。如果老人跌倒了，處于昏迷狀態而根本無法聽到“滴滴”的報警聲或者聽到“滴滴”的報警聲而無法動彈或根本夠不著手杖時，手杖在響了3次“滴滴”的報警聲后，馬上發出尖銳、刺耳的“嗚嗚”的報警聲、“需救助”的語音和狀態顯示LED燈閃爍更明顯，讓手杖附近的人們聽見呼救聲或看見燈閃爍并前來救助。這樣，老人將得到及時的救助。

（2） 當手杖未脫手并處于靜止狀態。在這種情況下，有可能是老人身體是好的，只是短時間內未使用手杖，也有可能是老人意外跌倒等而造成手杖未脫手。與情況（1）類似，如果老人身體是好的，聽見報警聲或看見LED燈閃爍，稍稍揮動手腕，振動傳感器的輸出信號立即變化，“滴滴”的報警聲則自動消失和狀態顯示LED燈閃爍顯示關閉。如果老人跌倒了，與情況（1）中最后一種情況一樣，手杖馬上發出報警聲與求助信息，讓手杖附近的人前來救助。這樣，老人也將得到及時的救助。

（3） 其他狀態，均表示老人正在使用手杖。這樣，有效地實現了基于物聯網的智能手杖的第一個功能：準確監測并判定老人是否意外跌倒或身體突然不適等異?；蛲话l情況。那其第二個功能：監測到老人發生了異?；蛲话l情況，智能手杖發出有效的救助信號，如何來實現呢？除了情況（1），（2）中提到的手杖自動發出尖銳、刺耳的“嗚嗚”的報警聲和“需救助”的語音外，手杖還可以把老人跌倒的位置信息及時通過3G無線通信方式，發短信到其多位家人的手機上。家人通過接收到的位置信息，撥打“120”救助電話并準確告知其位置，使老人得到及時救助。與此同時，家人也能快速趕到老人跌倒的位置。此外，手杖自身也能撥打“120”救助電話，并語音播放老人的姓名、位置等信息，明確告知對方，為及時救助贏得時間。這樣，基于物聯網的智能手杖從多方位、多渠道來及時救助老人。

2 系統構成

基于物聯網的智能手杖由智能手杖與位置管理系統兩部分構成，智能手杖實時感知老人是否意外跌倒或身體突然不適等異常或突發情況。如果發生，智能手杖把當前地理位置信息發給位置管理系統，同時并自動撥打“120”救助電話，并語音播放老人的姓名、位置等信息，準確告知對方，以方便及時救助。而位置管理系統是一款安裝在家人手機上GPS全球定位系統管理軟件，根據接收到的地理信息，自動準確顯示出老人的位置：包括具體的街道名、巷道名等精確信息，以方便家人快速找到。智能手杖與位置管理系統之間通過3G無線通信方式進行數據通信，其功能框圖如圖1所示。智能手杖由電容傳感器、振動傳感器、嵌入式微處理器、GPS定位模塊、3G無線通信模塊、語音處理模塊、按鍵、狀態顯示LED燈等構成，其功能框圖如圖2所示。

3 硬件設計

3.1 電容傳感器

電容傳感器采用CAV444芯片。該芯片是一個可測量多種電容式傳感器，可把電容信號轉換成線性的差分電壓信號輸出。輸出的差分電壓信號的零點和滿度可以簡單地用2個外接電阻進行調準。該差分電壓信號，其實是輸出電壓信號與一個參考電壓VREF=2.5 V的差值，差分輸出電壓的范圍最大為±1.4 V，最大輸出電壓VOUTmax=2.5 V±1.4 V，即1.1～3.9 V之間[7]。為了確保CAV444檢測的靈敏度與可靠性，其輸出電壓信號再用16 b的ADS8325進行ADC轉換，轉換成系統微處理器可方便處理高精度的數字信號。其電路設計見圖3。

3.2 振動傳感器

振動傳感器采用801S。該傳感器具有極寬的振動偵測范圍、低損耗、靈敏度可作相應調整，并無方向限制。其振動可達6 000萬次，表面鍍金，以延長使用壽命[8]。由于801S輸出一個電壓模擬信號，必須進行ADC轉換后，才能被系統微處理器識別。由于前述電容傳感器CAV444中需用ADC，而監測系統供電的鋰電池的電壓也需ADC。同時手杖的安裝空間非常有限，因此采用共用ADC，各路信號的輸入通過模擬切換開關ADG409來實現，其電路設計如圖3所示。

3.3 3G無線通信模塊

3G無線通信選用集成度高的并帶有GPS定位功能UC20模塊。該模塊為采用PCI Express Mini Card 1.2標準接口的UMTS/HSPA模塊，支持WinCE/Linux/Android等嵌入式操作系統，支持TCP/PPP/UDP等多種網絡協議，具有語音、短信和高速數據業務等功能。工作頻段為900/2 100 MHz@UMTS，850/900/1 800/1 900 MHz@GSM。數據傳輸速率為上行最大為14.4 Mb/s，下行最大為5.76 Mb/s。此外UC20還帶有GPS定位功能，支持NMEA標準協議。UC20通過UART接口與系統微處理器相連，其電路設計如圖4所示。UC20的USIM_DATA，USIM_CLK，USIM_RST分別與USIM卡座的I/O，CLK，RST引腳相連。

3.4 語音處理模塊

語音處理采用TLV320AIC3254。該芯片是一款低功耗、低電壓的帶微型DSP的立體聲編碼解碼器，其輸入與輸出是可編程控制調節的。其內部集成了PLL，LDO與多種數字通信接口。采用AEC?Q100認證，具有以下優點：100 dB信噪比的立體聲音頻DAC，4.1 mW立體聲48 kS/s DAC回放，6.1 mW立體聲48 kS/s DAC錄音，低噪聲PGA等[9]。由于3G模塊UC20同樣需要音頻輸入與輸出設備，因此在設計時把二者的麥克風、揚聲器共用，采用電子開關進行切換，電路設計如圖5所示。

3.5 系統微處理器

微處理器作為智能手杖的核心組成部分，不僅要及時采集各個傳感器的數據，而且還要快速進行數據處理、運算，此外還需把老人跌倒等異常信息通過3G傳給位置管理系統及時告知其家人。考慮到傳感器、3G模塊的通信接口及數據處理速率等，采用高性能的LPC2124。該芯片是一款低功耗、多功能，32位ARM7TDMI?S內核的微控制器，內置256 KB高性能FLASH存儲器。其主頻可達60 MHz，內部含有32位定時器，46個GPIO口，32位PWM，RTC以及I2C，SPI，UART通信接口等[10]。其電路設計如圖6所示。

4 軟件設計

軟件是整個系統的重要的組成部分，高效的軟件不僅能夠有助于體現智能手杖的功能特性，而且還能進一步提高其精度、靈敏度。軟件設計重點主要在ADC轉換、3G無線通信、GPS定位等方面。

4.1 ADC轉換程序

ADC轉換所實現的功能是把模擬信號轉換成系統所需要的數字信號，在本系統中3處均用到。因此ADC轉換在本系統中作為一個重要的子程序。下面為傳感器CAV444的采集輸出子程序，需采用SPI總線方式讀取ADC結果。

4.2 3G通信程序

3G無線通信是實現智能手杖與位置管理系統進行數據交互的重要方式。

5 測試數據

電容傳感器CAV444的輸出電壓（分是否有手）經ADS8325 ADC轉換為16位數值，根據16位數值推算出的轉換電壓與用五位半的數值萬用表SDM3055測試，其測試情況如表1所示。

6 結 論

基于物聯網的智能手杖采用微型化封裝的芯片、模塊，尺寸小、靈敏度高，能有效監測老人是否摔倒等異常情況，并向家人及四周發出求助信息，使老人及時得到救助。

參考文獻

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[8] Anon. Shock sensor 801S specification [EB/OL]. [2013?02?11]. http：//www.100y.com.

[9] Texas Instruments Inc. Datasheet of TLV320AIC3254? Q1 [EB/OL]. [2013?08?12]. http：//www.ti.com.

[10] NXP Semiconductors Inc. Datasheet of LPC2124 [EB/OL]. [2013?08?22]. http：//www.nxp.com.