基于區(qū)塊鏈的多功能智行杖設(shè)計(jì)

王治國 張曉聰

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 廣東珠海 519090）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及老齡化社會(huì)的到來，社會(huì)越來越需要安全且便利的智能拐杖服務(wù)。如何設(shè)計(jì)一款真正能為老人帶來了生活上的便利、為老人家屬更放心的智能拐杖，成為目前迫切需要思考的問題。

傳統(tǒng)智能拐杖的研究主要關(guān)注拐杖的一般的智能功能，如林瑾［1］、付主木［2］、苗立志［3］、劉北北［4］、陳超峰［5］、張凱［6］、毛麗鳳［7］、劉元［8］、景婷婷［9］等研究者大都關(guān)注自動(dòng)平衡、自動(dòng)定位、自動(dòng)扶起及娛樂等功能，但普遍忽略了自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程APP查看，特別是現(xiàn)場情況監(jiān)控等實(shí)用性功能。

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)智能拐杖的基礎(chǔ)上，考慮到傳統(tǒng)智能拐杖的不足：自動(dòng)扶起功能不顯示，如果老年人跌倒后，可能出現(xiàn)骨折等情況，并不適合老年人自行依靠拐杖“自動(dòng)扶起”；老年人拄拐行走，親屬無法實(shí)時(shí)掌控現(xiàn)場情況等。

為了解決這個(gè)問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款采用具備新型穩(wěn)定機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈管理，并可以通過無線應(yīng)用APP來使用的多功能智行杖。

1 多功能智行杖的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能智行杖（見圖1）主要采用下端直桿設(shè)計(jì)，上端開岔，呈折角形彎曲，頂部帶小屏LED 顯示，整體尺寸約30mm（R）×1000mm（H），帶伸縮處理（650～1000mm 調(diào)節(jié)），下部安裝橡膠材質(zhì)防滑墊腳。多功能智行杖具備GPS/北斗定位、電話、報(bào)警、充電功能，方便老人拄杖行走。

圖1 基于區(qū)塊鏈的多功能智行杖外形圖示

2 智行杖硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智行杖的控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、手機(jī)內(nèi)置軟件系統(tǒng)及移動(dòng)應(yīng)用端APP 組成。其中，硬件模塊與傳統(tǒng)智能拐杖比較類似，主要由角度傳感器、蜂鳴器等組成，通過89S52單片機(jī)控制。軟件系統(tǒng)控制硬件，實(shí)現(xiàn)紅外線測距、報(bào)警、傾斜檢測等多功能，并通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入云端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，實(shí)時(shí)存證，實(shí)現(xiàn)無線應(yīng)用端APP 是基于Android 端的移動(dòng)APP。

智行杖主要依據(jù)“GPS/北斗+無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)”相結(jié)合的定位方式、無機(jī)原理和無線通信技術(shù)，將GPS/北斗定位芯片、單片機(jī)、無線收發(fā)模塊等模塊集成到手杖中，系統(tǒng)兼容性好、顯示簡潔、運(yùn)行可靠，能自動(dòng)進(jìn)行拐杖定位，進(jìn)行老人摔倒判斷，并自動(dòng)地進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警、拍照和實(shí)時(shí)存證。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智行杖的硬件控制系統(tǒng)主要由帶LED顯示的監(jiān)控屏幕、高清攝像頭、無線收發(fā)模塊、存儲(chǔ)模塊、求助模塊、角度傳感器模塊、資助報(bào)警模塊、GPS/北斗定位模塊、地圖數(shù)據(jù)模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊等組成，如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智行杖的軟件模塊主要包括以下9 個(gè)部分：開機(jī)檢測模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、GPS/北斗定位模塊、跌倒實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、自主求助模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊、蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模塊，以及部署在無線應(yīng)用端的移動(dòng)應(yīng)用APP模塊，如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

多功能智行杖的常規(guī)應(yīng)用是首先通電，進(jìn)行系統(tǒng)初始化過程，進(jìn)行自動(dòng)開機(jī)自檢，進(jìn)入到正常工作狀態(tài)。通過傳感器，獲得老人的加速度和行走角速度，LED 智能顯示屏自動(dòng)顯示老人的行走狀態(tài)，計(jì)算出老人與地面的傾角，存儲(chǔ)到手杖中，并通過無線收發(fā)模塊自動(dòng)上傳到遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)。一旦系統(tǒng)偵測到傾角超過危險(xiǎn)閾值，立刻啟動(dòng)蜂鳴警告并自動(dòng)發(fā)動(dòng)到云端，老人親屬通過手機(jī)無線APP應(yīng)用即刻得到現(xiàn)場信息。如果跌倒判斷系統(tǒng)判斷老人摔倒，自動(dòng)啟動(dòng)攝像頭拍照存證，上傳云端網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警程序、存儲(chǔ)定位信息，方便家屬實(shí)時(shí)掌控和呼叫120 救護(hù)車。此外，自動(dòng)報(bào)警模塊能實(shí)現(xiàn)智行杖與家屬的無線通話，通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)存證，呼叫路人協(xié)助（防止路人因法律糾紛拒絕救護(hù)老人）。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

2.3 區(qū)塊鏈存證設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)塊以鏈條的方式組合成特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證不可篡改、不可偽造地去中心化共享總賬，能夠安全儲(chǔ)存簡單的、有先后關(guān)系的、能在系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。在智行杖的應(yīng)用中，區(qū)塊鏈主要的功能是：在老人跌倒后可能面對(duì)無人敢扶、無人愿扶的尷尬處境，通過智行杖的高清攝像頭拍照取證，信息經(jīng)過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳到區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈系統(tǒng)上實(shí)時(shí)存證，保障老人和扶助志愿者的安全。現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息上鏈，通過區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，不僅能夠極大地保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性，且數(shù)據(jù)可靠，具有防篡改機(jī)制，從技術(shù)上摒除了訛詐可能性，易于喚起路人的良知，有助于跌倒老人更快得到幫助。

本系統(tǒng)采用的區(qū)塊鏈系統(tǒng)基于華為公司的區(qū)塊鏈技術(shù)平臺(tái)，以華為提供的增強(qiáng)Hyperledger Fabric 為內(nèi)核，基于華為云全棧可信能力，包括彈性服務(wù)器、企業(yè)級(jí)容器、安全和人工智能等服務(wù)，在可靠性、性能、隱私保護(hù)方面做了增強(qiáng)和提升，滿足企業(yè)級(jí)業(yè)務(wù)要求。

首先，建立Fabric聯(lián)盟鏈與準(zhǔn)入機(jī)制，建立老人摔倒現(xiàn)場現(xiàn)場監(jiān)控區(qū)塊鏈。其次，提供可信的數(shù)據(jù)共享交換。老人摔倒救助系統(tǒng)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過本地的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上鏈存證，并提供數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享等功能，形成聯(lián)盟鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)可信共享交換能力，同時(shí)提供靈活的數(shù)據(jù)控制，各區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)可設(shè)計(jì)靈活的數(shù)據(jù)管理權(quán)限和分享策略機(jī)制，其技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 老人摔倒扶助系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.4 移動(dòng)應(yīng)用APP設(shè)計(jì)

移動(dòng)應(yīng)用APP 模塊是本項(xiàng)目的特色部分，基于Android客戶端。移動(dòng)應(yīng)用APP基于用戶的實(shí)際需要，包括老人個(gè)人信息管理、拄杖行走狀態(tài)、GPS/北斗定位、摔倒判斷、摔倒救助等全過程，即包括智行杖的工作狀態(tài)、摔倒判斷、摔倒扶助、無線通信、自動(dòng)報(bào)警，以及拓展的老人MP3娛樂服務(wù)、醫(yī)院急救呼叫、移動(dòng)端同步等模塊。

個(gè)人信息模塊采用數(shù)據(jù)庫同步存儲(chǔ)技術(shù)，用戶通過注冊(cè)個(gè)人賬號(hào)進(jìn)入個(gè)人中心，登記用戶的個(gè)人信息，包括姓名、性別、電話號(hào)碼、病例記錄、移動(dòng)應(yīng)用APP賬號(hào)及密碼等。

拄杖行走狀態(tài)、GPS/北斗定位、摔倒判斷等模塊都是由智行杖內(nèi)置軟硬件系統(tǒng)控制，并能直接記錄實(shí)時(shí)狀態(tài)，無線通信模塊、移動(dòng)端同步模塊進(jìn)行信息上傳到云端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家屬實(shí)時(shí)掌握老人的行走狀態(tài)，保障老人安全。

摔倒救助模塊在老人摔倒的狀態(tài)下啟動(dòng)高清攝像頭拍攝，將實(shí)時(shí)狀態(tài)上傳云端區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，依據(jù)實(shí)際需要，呼叫120急救，并啟動(dòng)無線通信模塊呼叫路人協(xié)助，達(dá)到更好救助老人的目的。

移動(dòng)端同步模塊通過采用阿里云的云數(shù)據(jù)庫RDS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)源的同步操作，以及提供同步服務(wù)器和同步客戶端之間的交互接口傳輸SyncML 數(shù)據(jù)包，完成數(shù)據(jù)同步。移動(dòng)端同步讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索更加靈活，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)為用戶提供高效率、高質(zhì)量的應(yīng)用服務(wù)。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)完成后，對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能測試。通過對(duì)兩個(gè)志愿者的試用，發(fā)現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的多功能智能拐杖很好地實(shí)現(xiàn)了GPS/北斗定位、無線網(wǎng)絡(luò)通話、錄像攝影、區(qū)塊鏈存證等功能模塊，特別是多功能智能拐杖的自動(dòng)“摔倒判斷”功能能準(zhǔn)確地判斷拄杖老人是否摔倒，能根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出蜂鳴，或者自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警，并且能將多功能智能拐杖的實(shí)時(shí)位置發(fā)送到家屬手機(jī)。在模擬老人摔倒的情況下，能實(shí)現(xiàn)模擬遠(yuǎn)程救助，GPS/北斗結(jié)合移動(dòng)4G 的定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確度高的經(jīng)緯度定位，誤差較小，現(xiàn)場情況音像能實(shí)時(shí)上傳到區(qū)塊鏈系統(tǒng)，達(dá)到了更好地保障老人安全的設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能智能拐杖是老年人等弱勢(shì)群體安全出行的人文關(guān)懷，能解決目前老年人“摔倒了沒人扶，沒人敢扶”的現(xiàn)實(shí)問題。

本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能智能拐杖，以解決社會(huì)的實(shí)際需求為立足點(diǎn)，基于機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，融入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，配備無線應(yīng)用APP的實(shí)際應(yīng)用，能解決老年人出行的困局。基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能拐杖體積恰當(dāng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、簡單，機(jī)械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)穩(wěn)定，與之配套的無線端APP 能保證用戶使用的便利性，不僅能實(shí)現(xiàn)拐杖的自動(dòng)定位、摔倒判斷、自動(dòng)呼叫親屬和報(bào)警系統(tǒng)，還嵌入有關(guān)懷老人的“運(yùn)動(dòng)健康”APP 健康監(jiān)測系統(tǒng)，能拓展MP3等娛樂功能，具有很好的市場推廣價(jià)值。