老年人多功能智能晴雨傘的設計

黎 陳，劉繽績，史可欣，田志鵬，黃 薇，姚 敏

（武漢東湖學院電信學院，湖北 武漢 430212）

作為全球老齡產業市場潛力最大的國家之一，中國養老行業仍存在許多急需完善之處。老年人的生活護理和健康保障是城市建設急需解決的問題。老年人出行經常存在諸多不便，特別是下雨天氣，更是給老人帶去極大的不便甚至危險。老人出行依靠的雨傘目前大多只有遮雨的功能，且市面上出現的雨傘功能效果單一。通常老年人由于身體素質和行動能力相對薄弱，需要隨身攜帶拐杖，并偶有迷路走失的現象發生，更會遇到身體不適等一系列需要緊急求助的情況?？紤]到老年人的這些切身需要，本項目擬設計并實現一種多功能智能晴雨傘來解決和改善這些常見問題。

1 系統設計方案

1.1 系統的材質結構設計

本設計所提出的老年人多功能智能晴雨傘通過雨傘和拐杖的結合造型，使雨傘既能擋雨又能輔助行走。系統硬件設計主要由MCU控制模塊，GPS模塊，GSM模塊，手柄加熱模塊以及音頻播放模塊五個部分組成，實現GPS定位、一鍵求助、暖手、音頻播放等功能。

考慮到雨傘結構本身的局限性和雨傘使用時的特殊外部環境，對雨傘的外觀，材質，支架進行了選擇和設計。傘骨采用輕便有優良強度性能的碳鋼材料，使雨傘具有良好的支撐力；傘面采用橡膠塑料類防水材料，該材料具有抗拉強度高，

彈性和延伸率大，粘結性、抗水性和耐氣候性好等特點，可以冷用，使用年限較長使該雨傘具有優良的防水性；雨傘底部設計采用了可更換的摩擦系數大且有彈性的材料作為支腳墊，防止拐杖與地面接觸時打滑，減少地面給人體的反作用力及對人的不適感。更重要的是當雨傘倒地的時候，老人只要用腳尖輕踩一下防滑墊的邊緣即可輕易的讓拐杖重新回到手中，避免了因為彎腰撿雨傘而造成對老人腰部的損害。

為了解決如何通過增大電路板面積來集成各功能電路，從傘面，傘骨，傘柄的結構考慮電路板的安裝位置，提出采用了圓柱體柔性電路板內置傘柄，節約了集成電路的面積，更輕易內嵌進傘柄。主要硬件都集成于傘柄處。電子器件均涂上加固膠水，電路板涂上防水膠，傘柄外圍添加防水膜，實現防摔、防水，提高雨傘的安全耐用性。

電源接口置于傘柄底部。系統采用按鍵實現人機交互，傘柄處設有三個按鍵，為方便老年人在緊急情況下使用一鍵求助功能，特別地將一鍵求助按鍵單獨置于一面，其他兩按鍵則置于傘柄另外一面。

在傘的外層特別的加上反光條設計，利用反光材料的逆反射原理，提高駕駛員發現前方物體的距離，從而能給駕駛員以更充分地時間，采取相應的安全處置措施。

初步外觀和功能結構分布如圖 1所示。

圖1 智能傘外觀和功能結構分布圖

1.2 系統功能模塊設計

為了更高效地接受信號和處理信號，我們在硬件系統中加入MCU控制模塊，它可以控制GPS定位、溫控加熱及音頻播放三個部分。MCU在GPS模塊接收到有效的GPS信號后，可控制GSM模塊向指定的手機用戶發送定位求助短信。MCU還可以通過溫度傳感器實現對外界溫度的測量，若溫度低于設定值，則啟動PTC熱敏電阻開關加熱傘柄。MCU還能通過按鍵開關控制內嵌式播放器實現音頻播放的功能。硬件電路模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統功能模塊圖

（1）一鍵定位和短信求助功能設計。選用SIM900A集成模塊。SIM900A是一款尺寸緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求?？梢詢戎每蛻魬贸绦?。SIM900A GSM/GPRS使用工業標準界面，使得具備GSM/GPRS 900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM900A能滿足M2M 幾乎所有應用要求，尤其是小巧、緊湊型的設計符合我們傘柄空間大小。在APP“一鍵求助”設置界面中，提前添加“緊急聯系人和求助短信”，最多可添加三名緊急聯系人，點擊“完成”按鈕。當老人突發意外情況按下傘柄處的一鍵求助按鈕 ，GPS模塊通過天線捕捉GPS衛星信號極小的電磁波并轉為微弱的電流，并將該信號傳至接收模塊。GPS接收模塊處理該信號后傳送給MCU，由MCU判斷接收的GPS信號是否有效，向GSM模塊發送不同的AT指令。確定信號有效則同時數據采集模塊（即系統的API模塊），APP獲取GPS模塊中的GPS 信號;通過數據處理模塊對獲取的GPS 信號進行數據封裝使其適應于網絡傳輸協議，并通過GSM模塊向指定的手機用戶發送求助短信，通信模塊最終將已處理完成的數據傳輸至服務器，顯示在用戶界面。當接收的GPS信號無效時，系統將直接通過GSM模塊向指定的手機用戶發送求助短信（“我需要幫助”）。如圖3所示。

圖3 通信處理模塊示意圖

圖4 過熱保護裝置原理圖

圖5 軟件設計方案

（2）暖手功能設計。此加熱系統是在傘柄處采用保溫棉填充，保溫棉用塑料膜封裝以保證保溫效果。用雙控溫電熱儲能式結構，逐漸釋放熱能。內設自動過熱保護裝置及自動保溫指示裝置，一個由PTC熱敏電阻開關控制的小電爐，PTC是正溫度系數的熱敏電阻，系統運行后，內置溫度傳感器對環境溫度進行檢測。當度低于20°C時，MCU啟動加熱模塊，通電，增大溫度。當溫度達到設定的最高溫度時，溫控開關視為斷開，所以“熱寶”此時停止消耗電能，之后靠保溫棉對電爐的保溫來緩慢放熱。待溫度降至20°C以下，MCU接收到低溫信號控制發熱模塊再次啟動。自動過熱保護裝置原理如圖4所示。

（3）音頻娛樂設計。在傘柄處安裝一種內嵌式音頻播放器和MCU系統相連，通過傘柄處的按鈕控制音頻播放器的開關。其中的內嵌音頻播放器即使一種迷你MP3播放器，由微處理器、存儲器、放大器、DSP構成。微處理器是播放器的大腦，它通過與mcu相連的播放鍵接受信息，并向DSP芯片發送指令，告訴它如何處理音頻，DSP執行一個解壓算法來解壓MP3文件，然后數模轉換器會將數據轉換成音波，DSP從存儲器中提取歌曲數據，將其放到播放器。

2 軟件設計方案

MCU主要依靠系統工作流程圖工作，如圖5所示。流程圖可分為定位、一鍵求助、溫控加熱和音頻播放四個部分。系統循環檢測按鍵和手柄溫度。按鍵按下后，系統執行對應的定位、一鍵求助或播放器功能，執行完畢繼續循環檢測按鍵和手柄溫度、控制發熱體，使手柄溫度保持在設定溫度之間。

3 結語

這把專門針對老年人開發的多功能智能雨傘通過雨傘和拐杖的結合造型，在晴天給這些行動不便的老人充當拐杖，在突然下雨時可以及時轉換為雨傘擋雨，雨停時又可轉換為拐杖輔助行走，充分解決了老人出門的一系列不便的問題。

GPS定位功能在老人們出門遇到意外情況時，通過及時發送位置信號向家人進行求助。音頻播放功能也滿足老年人隨時隨地的娛樂需求，愉悅身心。同時在傘柄處貼心地設置了USB充電式暖手寶，以便在寒冷天氣撐傘時更好地照顧到老人的身體。在傘面材料上也使用了特殊的選擇和細心的設計，邊緣處采用反光條設計，使過往的車輛可以及時避開老人，減少老人夜間行走的危險性以及傘面滴水造成地面濕滑而帶來的各種隱患。傘面和傘柄采用的疏水性材質減少了傘面積水，從而降低由此引起的濕滑地面所帶來的危險系數。

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