拐杖式智能傘設計

梁健恒

（廣東碧桂園職業學院，廣東 清遠 511510）

0 引 言

根據我國統計局的權威數據表明，直到2019年底，我國人口總量已經突破14億人，其中老年人數高達2.54億人，老年人口占比達到18.1%，已經逐漸步入了老齡化階段。人口結構變化的同時，老年人的生命安全和健康狀況也越來越得到重視。

由于人工智能產業的不斷發展，產業不斷優化升級，大批的研發團隊抓住時代機遇，不斷地研發設計出應用服務型智能產品，其中雨傘行業的制造商也不斷地推出新產品。為了解決市面上遮雨傘功能設計單一、缺乏市場競爭力等問題，本文專門設計研發一款適合老年人群體使用的智能晴雨傘。拐杖的發明給老年人群體的日常生活行動帶來了福音，但是他們的外出安全問題仍然值得關注，所以考慮到老年人的外出安全問題和生活需求，將智能傘和拐杖結合設計來解決和改善這些常見的問題。

1 總體方案

按照傘的用途分類不同，目前市面上的傘一般分為遮陽傘和遮雨傘。

相對于遮雨傘的用途來說，拐杖式智能傘的設計也會考慮防曬因素。為了滿足老年人群體的需要，傘的設計既要考慮滿足拐杖的輔助行走功能，也要滿足普通傘擋雨和防曬作用的基礎上，通過物聯網嵌入式系統設計，實現夏日降溫、夜晚照明、健康檢測、定位報警、遠程監護、電話求助等多媒體智能功能。智能傘外觀設計和功能結構分布如圖1所示。

圖1 拐杖式智能傘外觀和功能結構

拐杖式智能傘的傘架部分用于輔助支撐老年人身體行走。在設計傘骨架結構時，使用輕便結實、高強度、輕巧耐磨的合金骨架作為傘桿材料。無論烈日的暴曬還是雨天的淋刷，仍使得傘體具有良好的支撐和抗氧化作用。傘桿的底部安裝了4個防滑耐磨的橡膠底座，能與地面有足夠大的接觸面積，能夠增加與地面的摩擦力，有更好的抓地力，保證老年人步伐平穩。另外，傘桿內部作為電池倉，大大地減少傘體體積的同時，也增加了拐杖式智能傘架結構的硬度。傘桿內部的電池倉采用絕緣、防水的環氧樹脂灌注使得傘體各電路器件穩定工作。風扇電機作為傘桿其中的一部分，同樣采用環氧樹脂封裝以確保良好的防水、防摔和散熱，防止老年群體夏日中暑。

為了更好地防止紫外線照射人體，傘面采用市面上常用的190T黑膠碰擊面料，能更好地防曬、防中暑和雨天防水。傘面撐開半徑采用55～60 cm，在防雨的同時，可更好地進行防風，可以減少了惡劣天氣帶來的安全隱患。傘面內部的尼龍網狀面布能有效地防止異物進入風扇電機，確保風扇電機正常穩定工作。

手柄位置作為拐杖式智能傘整體的控制單元，增大手握柄的面積，嵌入多功能集成電路，讓用戶更牢固地抓住手柄。手柄采用防滑耐磨的橡膠設計，使其具有良好的手握舒適性，給用戶帶來更好的體驗。手柄上設置了3個可操作按鈕，分別為一鍵緊急求助，風扇、燈光照明切換按鈕和多媒體音樂播放按鈕。按鈕位置的合理設計有利于方便用戶操作，也利于在遇到緊急情況下通知他人求助。在手柄的前后端分別安裝了高清攝像頭和LED燈光照明功能，為晚上步行提供了安全條件，同時提醒路上行車司機留意，從而減少安全事故發生。在手柄的左右兩側專為老年人設計時間提醒和心率健康測量功能，可以提醒老年人有意識地關注自身健康狀況，避免意外的發生。

2 硬件設計

本設計采用意法半導體集團公司的ARM 32位Cortex-M3內嵌入式增強型單片機STM32F103作為主控芯片。STM32F103具有512 KB的閃存，11個定時器，13個通信接口和3個ADC等可用資源，工作頻率可以達到72 MHz，完全滿足本系統的設計需求。MCU作為物聯網系統控制的核心，其需要與多種外部設備接口進行通信，達到人機交互、多功能的智能效果。其中主要硬件選用如下：

（1）本設計采用高性能的SIM800C集成模塊。該模塊具有工業級別的GPRS，可以支持工作在GSM 850～900 MHz或GSM 1 800～1 900 MHz的信號頻段內，可以實現語言通話、短信收發和語音播報等功能。因此，SIM800C模塊適合用于本系統緊急求助功能設計。

（2）用于定位功能的硬件選用Alaentk公司生產的GPS加北斗雙模定位模塊S1216。S1216具有可快速實現定位、信號極好等優點，定位精度在2.5 mCEP左右，更新速率最高達20 Hz，捕獲追蹤靈敏度在-165 dBm左右。S1216模塊采用NMEA-0183協議輸出GPS或北斗定位數據，并可以通過SkyTraq協議對模塊進行配置。本系統通過該模塊的串口發送TXD、串口接收RXD和PPS時鐘脈沖輸出腳進行信號通信，從而實現定位功能。

（3）用于娛樂功能的硬件采用NUBWO公司的eV4Wq音頻解碼器模塊，它集合了MP3、WAV音頻解碼，支持FAT32文件系統，采樣率支持48 kHz，動態范圍支持90 dB，信噪比支持85 dB的同時，還具有FM收音機等功能。

（4）對于攝像頭監控功能，系統采用帶有FIFO的OV7670圖像傳感器模塊，它的VGA圖像最高達到30 f/s，具有靈活的圖像質量、數據格式和傳輸方式，可以根據不同的需要進行設計，從而方便本系統的設計開發。

（5）系統電源的輸入/輸出管理采用由Everanalog集成電路有限公司設計的一款四通道電源管理芯片EA3059。EA3059集成了4個同步降壓調節器，適合由鋰離子電池或直流5 V適配器進行供電。電路在重載的情況下，仍能高效率地輸出，其最大峰值負載電流達到4 A。由于芯片內部具有補償架構控制，能大大地簡化外部電路，并且獨立的使能控制能很好地優化電源控制。

（6）為了更好地將錄像視頻上傳到云服務器，將當前所處的環境提供給緊急聯系人，這里采用物聯網絡傳輸的方式進行傳輸數據。本系統使用Ai-thinker公司推出的一款ESP8266無線WiFi串口模塊，它是作為物聯網的傳輸層，其功能是將串口或TTL電平轉為符合WiFi無線網絡通信標準的嵌入式模塊。ESP8266內置無線網絡協議IEEE 802.11b.g.n協議棧，以及TCP/IP協議棧，可將傳統的硬件外部設備嵌入WiFi模塊進行集成化。系統通過對WiFi模塊進行AT指令配置后，再與單片機進行串口通信，并利用WiFi信號接入互聯網平臺進行數據傳輸，從而實現了萬物互聯。

本文系統的功能模塊如圖2所示。

圖2 系統功能模塊

系統模塊的功能具體如下：

（1）降溫濕度功能。若傘架處于打開狀態，MCU處于非低功耗待機時，檢測該按鈕的狀態信息在3 s內是否被觸發1次，并通過內部的ADC轉換后讀取溫濕度傳感器的數據，判斷當前溫度是否超過預設定的危險額定值。經MCU分析選擇是否開啟風扇降溫，以避免環境溫度過高，造成電機高負荷運轉而損壞電路。

（2）夜晚照明功能。傘架處于打開狀態，MCU處于非低功耗待機時，檢測按鈕的狀態信息在3 s內是否被觸發2次，經MCU分析選擇是否開啟高亮度的LED燈光照明。若傘架在合攏狀態下，同樣MCU處于非低功耗待機時，檢測按鈕的狀態信息在3 s內只需被觸發1次就可開啟燈光照明，為老年人照亮回家的道路。

（3）緊急求助功能。當緊急求助按鈕被觸發時，MCU無論在低功耗待機模式還是處于正常模式，報警信號燈SOS亮起的同時，高音喇叭也啟動工作并且MCU及時觸發GPS模塊工作并讀取GPS當前的位置信息，MCU控制GPRS模塊向預設的指定手機用戶發送定位和求助電話，從而確保老年人的人身安全。同時，MCU控制開始啟動攝像頭進行循環錄像模式，并把錄像視頻存入系統的存儲器，為人身安全提供保障。

（4）遠程監控功能。當系統的緊急求助功能被喚醒后，遠程監控功能也同時被觸發，系統喚起GPRS模塊通知預設的緊急聯系人登陸云服務器平臺，通過系統內置的ESP8266無線WiFi網絡連接公網，從而幫助緊急聯系人遠程實時查看監控，快速判斷老人家所處環境的安全狀況。同時，遠程監控功能的監控錄像也會被MCU控制寫入存儲器內部保存。

（5）定位報警功能。MCU通過不斷地檢測系統內置的角度傳感器，若經過分析處理角度傳感器、陀螺儀的數值出現非尋常的變化時，比如老人摔倒等情況，MCU將會觸發GPS模塊工作并讀取GPS當前的位置信息，MCU控制GPRS模塊向預設的指定手機用戶發送定位、時間、摔倒次數、系統電量等信息，以便緊急聯系人可以快速地了解老年人目前的狀況。

（6）健康檢測功能。該功能作為老年人外出前進行的一項簡單的檢測身體健康評估。該功能的使用方法是雙手分別握住手把柄處安裝的手握式心率測量傳感器芯片ZH0710，等待數秒后即可看到目前的心率情況。其工作原理大致過程為人體心肌產生的電信號通過兩個手掌傳遞到系統的兩片電極上，將信號差通過多級放大、濾波、R波檢測與信號整形后傳到MCU進行處理數據分析，再通過液晶顯示屏顯示出心率值。

（7）娛樂多媒體功能。娛樂作為老年群體退休生活的一部分，例如下象棋、喝早茶、聽音樂等娛樂項目。為了滿足老年人的娛樂生活需要，系統嵌入了MP3音頻播放器，可本地播放音樂，也可聽電臺收音機。當MCU處于非低功耗待機時，若檢測該按鈕在3 s內被觸發1次的狀態信息時，MCU將發送操作指令信號到DSP音頻解碼芯片進行對本地存儲器的歌曲進行播放。若檢測該按鈕在3 s內被觸發2次時，MCU將發送操作指令驅動TEA5767數字調諧FM立體聲收音機集成電路芯片工作，可以通過長按按鈕進行頻道搜索收音，提高了老年人的娛樂生活質量。

（8）電源管理功能。電源作為電路能量的主要來源，既要保持良好的功率輸出，也要具有很好地電源管理能力。MCU通過控制電源管理芯片的使能端與各個外部設備進行通訊，系統電路配合著溫度傳感器的使用，能更好地防止電路短路故障或部分用電設備高負荷運作引起危險的發生。電源有足夠的能量為電路提供正常工作的條件時，電源管理芯片將會實時監測著電路工作狀態。當電源供電不足時，電源管理芯片將會告知MCU當前電路電壓狀態，并使系統電路進入低功耗模式，延長電路工作時間。

（9）時間提醒功能。對于老年人而言，時間只是個提醒的工具，不必要非常詳細地了解當前具體時間。但是因為多數的老年人沒有隨身攜帶智能手機的習慣，所以時間觀念也是一個重要的問題。為了方便老年人的生活作息習慣，系統擴展了時鐘提醒功能，可以隨時查看目前的時間，便于生活娛樂節目的管理。

（10）障礙檢測功能。為了更好地輔助老年人群體行走，拐杖式晴雨傘采用AGV無人搬運車對障礙物的檢測方案進行對前方障礙物檢測。利用超聲波測距的方式，MCU采集到量化的間隔信號作為距離障礙物遠近的信息。當障礙物更靠近拐杖式晴雨傘時，蜂鳴器會發出急促的滴滴聲提醒，當免除障礙物后，MCU自動恢復正常的檢測狀態。

3 軟件設計

本系統的軟件部分采用C語言設計編寫。C語言具有簡潔方便、靈活的語法結構、代碼與數據可分離設計等特點，也是STM32系列嵌入式單片機常用的設計語言。第三方公司已經把各個寄存器封裝成庫函數，在很大程度地減少開發者的開發難度和代碼的冗余性，更好地使程序實現模塊化，便于日常維護和今后移植開發。本系統軟件運行流程如圖3所示。

圖3 系統軟件運行流程

Main函數作為程序的主入口，通過調用第三方公司封裝好的操作寄存器、時鐘等函數以及將各個外部設備進行系統初始化，其中包括GPS模塊、GPRS模塊、攝像頭模組、陀螺儀、心率模塊、電機、LED、音頻等外部設備接口進行復位。同時，電源管理芯片配合溫度傳感器測量系統初始化時的溫度并將溫度值保存為參考溫度。等待系統初始化完成后，進入功能按鍵檢測的程序。該程序可以細分為5小塊，分別為多媒體功放模塊、緊急求助模塊、風扇和照明模塊、摔倒檢測模塊和心率監測模塊。下面分別敘述各個功能模塊的執行流程。

（1）多媒體功放模塊

經過功能按鍵檢測后，如果多媒體按鍵在3 s內被觸發1次，將進入DSP的音頻解碼子程序內部，并對本地存儲器存放的文件目錄進行遍歷一遍，按照歌曲的命名規范進行多曲循環播放。若MCU檢測多媒體按鍵在3 s內連續被觸發2次時，系統程序將被跳轉進入中斷程序標記當前用戶操作狀態后，程序退出中斷程序，進入收音機頻道進行播放頻道信息。若此時長按該按鈕，程序將進入選擇頻道模式。此時，如果繼續連續觸發該按鈕3次，則程序跳出該模塊的程序，重新回到功能按鍵檢測程序中。

（2）緊急求助模塊

經過功能按鍵檢測后，如果用戶按下緊急求助按鈕，系統的最高優先級中斷程序被觸發。系統進入GPS的子程序中，對當前的位置信息進行處理，并由MCU分析當前數據是否由于誤觸發引起數據異常。若判斷得出為可疑數據，則重新回到GPS的子程序開始進行重新獲取位置信息，并把位置數據通過短信的形式下發到緊急聯系人中進行數據信息的備份。若數據判斷為可信數據，則程序執行GPRS的子程序入口，MCU將獲得的位置信息通過GPRS以短信和電話的方式發送給緊急聯系人。此后，程序跳轉到錄像監控的子程序內，對環境進行循環錄像。一方面將錄像資料備份到系統的存儲器中；另一方面通過無線網絡將圖像上傳至云服務器，便于緊急聯系人查看。同時，報警信號燈和高音喇叭開始工作。

（3）風扇和照明模塊

經過功能按鍵檢測后，如果用戶按下照明和風扇按鈕時，程序將對傘架上的限位開關的狀態進行讀取。若傘架是合攏狀態時，程序將重新回到功能按鍵檢測，防止電機啟動損壞系統元件。若傘架是打開狀態，程序將啟動風扇電機啟動。此時，若連續觸發該按鈕兩次，程序將停止電機運轉，開啟照明。若再次連續觸發該按鈕三次，程序將關閉照明和風扇。同時電源管理芯片也實時監測系統各個模塊的工作狀態，以免由于MCU判斷失誤，造成意外發生。

（4）摔倒檢測模塊

經過功能按鍵檢測后，MCU檢測發現按鈕未被按下的情況下，若電源管理芯片監控得到陀螺儀模塊的耗電大，此時程序進入陀螺儀傳感器的執行程序中讀取前后角度的數值。若比較前后兩次的數值發現差值較大，則MCU重新獲取GPS的位置信息，并體內各個GPRS發送定位短信告知緊急聯系人。否則，系統將重新回到功能按鍵檢測程序。

（5）心率監測模塊

經過功能按鍵檢測后，MCU檢測發現按鈕未被按下的情況下，若MCU檢測到心率傳感器的數據發生變化，則系統進入測量心率的服務程序。若判斷用戶測量心率時，雙手握住傘柄的動作不規范，程序將重新回到測量心率的程序入口，提醒用戶重新規范測量姿勢。若MCU判斷為規范動作，則系統將開始今昔測量心率。等待數秒系統測試完成后，經過MCU的分析判斷當前測量的心率數值是否為正常值范圍內。如果心率數值不在正常值范圍內，則系統將提醒用戶重新測量。如果心率數值將在正常的范圍內，系統將通過液晶顯示屏顯示測量的心率。另外，系統將通過無線網絡將數據上傳到云服務器，以便緊急聯系人了解查看使用者的身體狀況。最后系統將退出心率監測，重新回到功能按鍵檢測程序。當用戶長時間沒有觸發系統的外部設備情況下，MCU將進入低功耗模式，電源管理芯片將起著重要的作用。一方面減少系統不必要的電量耗費，另一方面隨時等待系統被喚醒，進入正常的工作狀態。

4 結 語

為了保障老年群體的外出安全和健康，本文結合老年群體的生活習慣和興趣愛好，充分地從老年人身體素質的角度考慮，并且聯合目前的科技水平，解決傳統雨傘在生活使用上的缺陷外，把拐杖的優勢嵌入傘內，重新打造出一款拐杖式智能傘。它的智能之處在于系統融入了多種功能，這諸多功能表現在傘體內嵌入多種傳感器，通過多種傳感器的配合使用，能實時檢測老年人所處的周圍環境變化，并通過嵌入式單片機分析處理得出最后結果，執行相應的程序操作，以達到及時提醒緊急聯系人的目的。拐杖式智能傘的設計給老年人群體帶來了很多的便利，它既能充當拐杖的輔助行走用途，也可以起到遮光擋雨傘的作用，并且集合了多媒體功能，讓老年群的生活不再枯燥乏味。