基于老年人監測系統的多功能拐杖

杜皓宇　滕道祥　丁鋼　羅雪峰　王帥　姜鈺煒

【摘 要】如今，我國進入了人口的老齡化時代，眾所周知老年人的自我護理能力差，極大可能的發生意外。然而社會養老機構數量有限，為解決這一問題，設計了一套基于老年人監測系統的多功能拐杖。一般老年人的腿腳不便，需要拐杖輔助自己行走，而拐杖帶有了健康監測系統可以提醒老人按時吃藥，測量老人的體溫、心率等身體狀況，并將老人的身體狀況通過GSM模塊告知老人的親屬。當老人出現體征異常等危機，系統自動告知老人的親屬，老人也可以按下呼救按鈕進行求救。

拐杖的老人監測系統主要是由STC系列MCU、GSM模塊、心率傳感器、體溫模塊、時鐘模塊、LCD液晶屏組成。本設計彌補了傳統的老人拐杖單一的功能，既可以幫助老人行走，又保障空巢老人的安全，所以本設計將會擁有巨大的推廣前景。

【關鍵詞】健康監測；空巢老人；多功能拐杖

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0233-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.109

A multi-function walking stick based on the elderly monitoring system

DU Hao-yu TENG Dao-xiang DING Gang LUO Xue-feng WANG Shuai JIANG Yu-wei

（School of Mathematics and Physical Sciences，Xuzhou Institute of Engineering，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

【Abstract】nowadays， China has entered an aging population age， and it is well known that the elderly have poor self-care ability and are likely to have accidents. However， the number of social pension institutions is limited. To solve this problem， a set of multi-function walking sticks based on the monitoring system for the aged is designed. Usually old people walking， aided his crutches to walk， and stick with the health monitoring system can remind the old man to take medicine on time， the old man's body temperature， heart rate measurement such as health， and the old man's physical condition via the GSM module to the old man's relatives. When a crisis occurs， such as abnormal physical signs， the system automatically informs the relatives of the elderly， and the elderly can press the call button for help.

The elderly monitoring system of crutches is mainly composed of STC series MCU， GSM module， heart rate sensor， temperature module，clock module and LCD screen.This design makes up for the single function of traditional old people's walking stick，which can not only help the old people to walk， but also guarantee the safety of empty nesters. Therefore，this design will have a huge promotion prospect.

【Key words】Health monitoring；Empty nesters；Multi-purpose walking stick

0 研究背景

隨著社會的發展，中國人口老齡化的趨勢越來越明顯。中青年夫妻的工作壓力比較大，難以承擔撫養多個老人的責任，因此，中國的空巢老人數量越來越多，但因為中國的國情，無法增加足夠的社會養老機構來解決這一問題。另外，人口老齡化，老年人是心臟病等慢性疾病的高發人群，年輕人工作壓力大，沒有時間陪伴在父母身邊等是該系統的主要出發點。此拐杖的設計既方便了老人的短途外出，又能該實時監控老人的身體狀況，并在發生意外時，提醒長者及子女來減輕或避免老人受傷。老人健康監測管理系統可以提醒老人按時吃藥，測量老人的體溫，、心率等身體狀況，并將老人的身體狀況通過GSM模塊告知老人的親屬。當老人出現體征異常等危機，系統自動告知老人的親屬，老人也可以按下呼救按鈕進行求救。這樣既解決了空巢老人的安全問題，又能減輕青年夫妻的壓力，為社會的和諧發展作出一定的貢獻。

1 總體方案設計

本設計由單片機最小系統、體溫傳感器、心率傳感器、語音模塊、GSM模塊組成。主要以STC12C5A60S2單片機為中心的，使用DS1302模塊來實現時鐘的具體和精確顯示，通過單片機控制語音模塊來提醒老人準時吃藥。通過體溫傳感器、心率傳感器實時檢測老人的健康，一旦老人的健康出現問題，系統自動撥打電話來告訴老人的親人。

2 主要元器件介紹

構成老人健康監測管理系統硬件的主要元器件：STC12C5A60S2、語音模塊、GSM模塊、體溫傳感器、心率傳感器。小器件有電阻、電容、晶振、按鍵等。

2.1 主控制芯片

STC12C5A60S2單片機不僅執行速度快，而且功耗也不高，另外，抗干擾能力也很強，即使將它放在極限環境，它也能正常工作，而且這款單片機的兼容性也不錯，擁有12時鐘機器周期和6時鐘，用戶可以根據自己需求選用。正常情況下，它的工作頻率能夠達到33MHz，還有3個定時計數器，比51系列的多一個，價格也和51差不多，它的正常工作范圍是-40～+85°C（工業級）/0～75°C（商業級）。因為上述種種優點，因此本設計便選用了STC12C5A60S2單片機。

2.2 體溫傳感器

市面上測量體溫的傳感器有很多種，采用的測量方法各有千秋，如：熱輻射、壓電式、熱電阻。

熱輻射測量具有結構簡單、無直接接觸、測量范圍寬、測量精度高等優點。缺點：人為誤差大，只能測量高溫，連續測量需要降溫。

壓電測量具有分辨率高、穩定性好、輸出頻率易于數字化、抗噪性強、性能穩定、線性度好等優點。缺點：機械化強度很差。

熱電阻測量，熱電阻擁有負溫度系數，體積小，適合快速測量的優點，缺點少。

2.3 心率傳感器

PulseSensor是一款用于測量脈搏心率的傳感器。它的測量方法是將傳感器佩戴于手指、耳垂的地方，心率傳感器通過導線與導數的連接，可將采集到的信號傳輸給單片機，單片機通過PCF8591模塊將信號轉變為數字信號。單片機通過一定的算法處理后可以得到心率的具體數值。另外，心率傳感器可以將脈搏波形上傳到上位機，計算機可以通過上位機顯示心率波形。目前心率傳感器大多用于研究和演示心率方面的問題，也非常適合用于二次開發。

2.4 GSM模塊

GSM模塊中文簡稱為全球移動通訊系統，可實現短信收發，撥打電話，藍牙通訊等功能，并且功能在逐步完善。可以實現中國聯通，中國移動的2G網絡通訊。

GSM模塊通過串行口與單片機實現通信，并且工作頻率需要與單片機同步。GSM模塊使用AT指令與單片機通信。當單片機對GSM模塊發出發送指令時，GSM模塊就會向指令號碼發送警報。

2.5 DS1302模塊

DS1302芯片用來驅動時鐘電路，具有掉電存儲的功能，即使單片機掉電，也不會使時間停住，能夠準確的顯示當前時刻的具體時間，包括年月日星期時分秒等，它的工作電壓最高5.5V，最低2.5V。該芯片能夠掉電存儲的原因是有雙電源，除了外部電路供電外，還有一個備用電源，所以，即使時鐘電路主電源未就緒，也可以維持系統時間不變，備用電池可使用二十年之久，因而不用擔心備用電池會沒電的情況，由于DS1302這些優點，本設計便選用該芯片作為時鐘電路的主控芯片。

使用DS1302時要注意它的三根線，分別是CE、I/O和SCLK，其中CE是使能線，SCLK是時鐘線，I/O是數據線。

3 多功能拐杖的設計

3.1 外觀設計

針對老年人的特點，提出了拐杖底部設計要安裝緩沖功能的設施比如橡膠防滑裝置，這樣拐杖著地時輕巧、穩重、不易打滑，老年人行走更加快捷、安全。此外，市面上的老年人拐杖主體的設計長度是固定的，不可調節的。此設計構想是把拐杖的手柄設計成可調節式的，這樣就避免了使用時拐杖過長或過短給老年人帶來的不適感。

3.2 材料設計

對于材料，新型的拐杖選擇鎂合金作為主材，它具備以下優點：

（1）堅固耐用且強度高，承重能力相對來說比較強；

（2）自重輕，不會給老人帶來負擔；

（3）彈性好，具備很好的緩沖減震功能，能夠使拐杖在接觸地面沒有震動，減少對手臂的壓力。

4 結論

本文對于老年人的心理、生理特點進行分析，著眼于老年人的實際需求，從外觀、材料和功能等方面提出了老年人多功能拐杖設計的相關設計理念。在主要功能中，老年人監測系統主要有MCU、GSM模塊、各個傳感器模塊組成。MCU負責數據處理，傳感器模塊包括體溫傳感器、Pulse sensor傳感器、DS1302模塊，12864顯示屏和語音模塊，分別采集老人相關的健康狀況信息、顯示精確的時間、顯示相關的數據和提醒老人按時吃藥。使其輔助老年人行走之余為他們提供安全保障和相應的功能需求。

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