分段式智能拐杖的研究與設(shè)計(jì)

于天嬌，常玲，胡高山

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系,遼寧沈陽(yáng),110000）

0　引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)在新的歷史條件下，人口老齡化日益加深，老齡社會(huì)問(wèn)題凸現(xiàn)。而老年人儼然成為我們首要關(guān)注的社會(huì)群體。

“樹老根先枯，人老腳先衰”。關(guān)注老年人的健康，首先就要關(guān)注老年人的行走問(wèn)題。因此，一根合適的拐杖，對(duì)老年人的日常生活很有必要。現(xiàn)有的普通老人拐杖只能給老年人提供單純的行走支撐作用，在老年人發(fā)生意外時(shí)，不能夠及時(shí)的通知周圍以及相關(guān)的人士，因而也很難讓老年人在發(fā)生意外時(shí)能夠得到快速有效的救助。這樣的拐杖在注重對(duì)人的一種人性關(guān)懷和對(duì)產(chǎn)品的使用感受時(shí)似乎顯得有點(diǎn)不足。

本次設(shè)計(jì)將以健康管理、倒地報(bào)警、自動(dòng)照明、雨天預(yù)警、障礙物智能探測(cè)和自動(dòng)充電等功能模塊為主要目標(biāo)而進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)該技術(shù)具有易于實(shí)現(xiàn)，功能可定制，成本可控等特點(diǎn)，對(duì) “智能拐杖”實(shí)現(xiàn)困難是一個(gè)突破。

1　設(shè)計(jì)方案

本方案設(shè)計(jì)基于Arduino的分段式智能拐杖的設(shè)計(jì)與研究，主要分為三大步驟。

第一步，硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。硬件部分以Arduino芯片為核心，設(shè)計(jì)外圍電路。硬件平臺(tái)的建立是系統(tǒng)最關(guān)鍵的問(wèn)題，先設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路圖，并通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真通過(guò)后進(jìn)行硬件的連接。第二步，相關(guān)程序的編寫。寫出相關(guān)程序，并調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)變量的定義、I/O口的設(shè)置、子程序的調(diào)用和總程序流程等相關(guān)問(wèn)題。第三步，將程序燒寫到Arduino芯片中。

2　系統(tǒng)組成及功能

本項(xiàng)目以“模塊化”為設(shè)計(jì)思路，采用Arduino Uno芯片作為核心板，通過(guò)把不同的功能模塊嵌入到拐杖的不同“節(jié)”當(dāng)中，每一個(gè)“節(jié)”都有不同的功能，使用者可以更具自身的實(shí)際需求對(duì)不同的“節(jié)”進(jìn)行組裝，“節(jié)”與“節(jié)”之間采用貼片式接觸方法進(jìn)行連接，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)拐杖特定功能的量身定制。

圖1　原理圖

Arduino，作為核心板，是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。超聲波傳感器，采用超聲波回波測(cè)距原理，運(yùn)用精確的時(shí)差測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)傳感器與目標(biāo)物之間的距離，采用小角度，小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測(cè)量準(zhǔn)確，無(wú)接觸，防水，防腐蝕， 低成本等優(yōu)點(diǎn)，在本項(xiàng)目中作為探測(cè)前進(jìn)方向障礙物核心檢測(cè)元件。MPU6050為集成了多個(gè)傳感器模塊，其中包括陀螺儀、磁力傳感器、加速度傳感器等多種傳感器模塊，在本項(xiàng)目中主要用于計(jì)步功能，其它功能將進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。心率檢測(cè)模塊將對(duì)使用者的心率情況進(jìn)行采集。感光傳感器與溫濕度傳感器將對(duì)環(huán)境光照情況和溫濕度情況進(jìn)行采集。LED燈、蜂鳴器和LCD顯示屏為顯示機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)Arduino傳來(lái)的信息進(jìn)行表達(dá)。存儲(chǔ)器單元將對(duì)使用者的心率、步數(shù)等情況進(jìn)行記錄。顯示屏對(duì)使用者的心率、步數(shù)等情況進(jìn)行顯示。電源部分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)用電元件進(jìn)行供電。

3　設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本項(xiàng)目在拐杖中采用模塊化可拼接技術(shù)，每一個(gè)模塊都有其特定的功能，使用者可以根據(jù)自己的實(shí)際使用需求，自主選擇特定模塊進(jìn)行連接，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)拐杖功能的發(fā)揮。具體研究?jī)?nèi)容如下：計(jì)步器的工作原理，步數(shù)、里程與熱量之間關(guān)系，及如何消除非步行所引起的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤；各種心率感應(yīng)器工作原理優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，選擇合適的感應(yīng)器；使用者意外倒地時(shí)，報(bào)警自動(dòng)開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題；設(shè)計(jì)自動(dòng)照明時(shí)，對(duì)人眼對(duì)光環(huán)境的生理需求與心理需求，包括亮度、光色等；溫濕度傳感器工作原理；超聲波傳感器工作原理；機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)化裝置、工作原理及電能儲(chǔ)能相關(guān)問(wèn)題；Arduino核心板的學(xué)習(xí)。

4　結(jié)語(yǔ)

本作品屬于電子設(shè)備高端產(chǎn)品,技術(shù)新穎,功能多樣化、市場(chǎng)針對(duì)性強(qiáng),制造簡(jiǎn)單,具有傳統(tǒng)單一功能產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。此外，其他的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)也是圍繞著人性化為中心開展的創(chuàng)新，力求增加老年人的親切感與歸屬感，讓其在使用過(guò)程中更加安全、舒適和實(shí)用。設(shè)計(jì)的分段式智能拐杖不同“節(jié)”中嵌入不同模塊，可以分別完成與之對(duì)應(yīng)的不同功能，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要情況進(jìn)行量身定制，這樣不僅可以讓拐杖更加個(gè)性化，完成使用者的各種需要，同時(shí)可以在一定程度上降低使用者的購(gòu)買成本。