智能化行程記錄手杖的設計與研究

姚博文,施 夏,劉宇澳

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0 引言

隨著世界人口的快速增長,人口數量也在穩步增加,相比傳統的普通手杖,目前市面上的智能手杖雖然內置了一些功能部件,比如防滑、照明、收音機等,但是功能還需要改進。 例如:當老人發生異?；蛞馔馇闆r時,手杖未能向周圍和家人發出求救信號,導致老人無法及時獲得救援,需要特殊的智能手杖來幫助老年人安享晚年,準確識別老人異常或突發事故或身體不適,自動向周圍發出求救信號,讓老人在最短的時間內得到幫助,讓家人了解老人的情況,并及時撥打“120”等救助電話。

1 智能化手杖工作原理及結構

智能手杖主要由整個智能拐杖系統控制、監測運動狀態的傳感器、滿足實際環境要求的人機界面、便于與移動終端進行信息傳輸的無線通信模塊、數據信息閃存模塊、RTC 時鐘模塊控制器、傳感器、存儲和判斷程序行為的無線通信模塊組成。 智能手杖結構如圖1所示。

圖1 智能手杖結構

智能手杖的無線充電插座用于補充智能手杖的電量,將無線充電器的卡槽插入智能手杖,即可立即充電。 當老人使用智能手杖時,無線充電器關閉卡槽,充電停止。

電源模塊用于為設備提供電能,包括光電轉換、動能轉換、電池供電、充電及儲能管理、可控穩壓電路。數據信息可通過電源模塊輸入,以保證電源的持續供電。

控制器模塊根據傳感器的狀態獲取設備當前情況,監測老人是否跌倒、搖晃的次數。 傳輸信息通過無線通信模塊控制RTC 實時時鐘,可以為系統提供穩定的時間,RTC 實時時鐘也可以在斷電的情況下由電池供電。

人機界面模塊用于為老人提供報警聲、光信號。喇叭提供報警聲和時間提醒。 LED 顯示報警光信號和低電量信號,以了解意外警報信息、低電池電壓信號等情況。

閃存模塊用于存儲所有有效信息,例如存儲定期發送給老人的數據信息以及智能拐杖觸地后的報警信息,并實時傳輸給控制器模塊進行計算。

傳感器模塊用于記錄老人的運動狀態數據,運動狀態具體包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器數據采集和重力方向傳感器數據采集。

無線通信模塊用于提供包括數據和RSSI 在內的無線廣播信號,實現與服務器的數據交互。 移動終端(如手機)中的App 可以遠程監控和跟蹤智能拐杖。 相關信息通過狀態輸出終端實時傳遞給控制器。 當老人遇到突發情況,監護人可以通過手機端App 了解老人的當前狀態[1]。

2 智能手杖設計目的

智能手杖的設計目的如下:(1)通過盲導系統中的超聲波結合聲波和紅外線檢測障礙物,使用戶能夠看到前方的道路,更準確地躲開障礙物。 (2)為了讓用戶記錄每天的路線或查看用戶的實時情況,路線記錄系統允許攝像頭記錄當天發生的一切,并將其保存到SD卡中。 智能手杖隨時遠程監控用戶情況,了解現場狀況或現場的場景。 (3)蜂鳴器警告系統和燈光可以幫助用戶在夜間使用時警告別人或吸引別人的注意力[2]。

3 總體結構設計

手杖配備了GPS 模塊、GPRS 手機通信模塊、MP3播放控制模塊等,側面有信標、控制按鈕,背面有揚聲器,內置GPS 定位模塊和GPRS 通信模塊。 智能手杖總體結構,如圖2 所示。 導游可隨時定位每個游客的行蹤并保持聯系。 當發生危機時,游客可以得到及時的救助[3]。

圖2 智能手杖總體結構

3.1 主要部分設計

防滑手柄在整個搖桿的頂部,LED 燈在防滑手柄的正面,控制開關在頂部中央。 考慮到不同老人的手型和手掌粗細,防滑握把采用人體工學原理,引入個性化設計,根據老人握持習慣,表面磨砂。 防滑手柄擁有MP3 模塊、FM 收音機和STM32 控制器。 所有物理按鍵都在防滑握把上。 為增加實用性,外部采用PC 材料制成。 外部添加了磨砂飾面以增加安全性。

管道伸縮桿由兩部分組成,上粗伸縮桿與防滑把手頂部相連,下細伸縮桿為防滑把手下部,配有減震防滑橡膠墊。 兩根伸縮桿中間用固定螺母連接,粗壯的伸縮桿有多個可調節定位孔。 智能手杖縮回最短63 cm,最長97 cm。 伸縮桿1 外徑22 mm,內徑20 mm;伸縮桿2 外徑19 mm,內徑17 mm。 伸縮桿高度(10級)可調,兩個調節孔的中心距為25 mm。

管道縮桿材質型號為5052-H112。 長度允許偏差±0.5 mm,柱長允許偏差±1.0 mm,端坡允許偏差-1.5 mm,孔位允許偏差±0.5 mm;毛刺必須去除。 沉孔缸蓋和螺釘的尺寸必須符合相關規定國家標準。

3.2 減震防滑腳墊設計

減震防滑腳墊附在底部伸縮桿上,其主要作用是吸收震動,增加桿與地面的摩擦力,防止老人滑倒。 減震防滑腳墊所用材料一般可分為以下幾種:醋酸硅橡膠塑料墊片、丁基橡膠塑料墊片、丁腈橡膠塑料墊片、三元二氯乙丙橡膠塑料墊片、氯丁橡膠塑料墊片、聚氨酯丁腈橡膠塑料墊片、氫化氯丁橡膠塑料密封件和氟化硅橡膠塑料密封材料密封件。

4 智能手杖核心功能設計

老人智能手杖應減少一些娛樂功能,而主要關注老人的安全需求,如對未知環境危害的檢測和預警,突然跌倒時的報警和幫助。 (1)危害監測預警。 使用大數據分析,監測用戶自身健康和環境;提醒用戶達到有效規避危險的效果。 手杖配有壓力傳感器和熱敏電阻,可以隨時隨地監測老人的心率、血壓等身體指標。手杖附有超聲波掃描儀,檢測身體環境,分析評估障礙物的危險。 (2)跌倒報警和求助。 手杖監測老年用戶跌倒動作,跌倒后立即報警,通知親屬和最近的醫療機構,手柄有加速度計和磁傳感器。 前者采集人體三軸加速度數據,后者采集人體軀干傾斜信息和老年人跌倒情況。 手杖發現用戶的位置和跌倒信息,可以通過遠程傳輸設備傳輸到連接的移動設備[4]。

5 智能化手杖硬件設計

多功能智能拐杖主要采用單片機技術,具有紅外測距、報警、傾斜等功能。 智能拐杖的硬件主要由角度傳感器、熱釋電傳感器、蜂鳴器和89S52 組成。 系統硬件設計,如圖3 所示。

圖3 系統硬件設計

電磁蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線圈、振膜、磁鐵和外殼等組成。 當開關打開時,音頻信號電流從振蕩器通過螺線管流動,產生一個磁場和振動膜片周期性振動,相互作用時發出聲音。 因為蜂鳴器需要一定的電流來驅動,單片機I/O 管腳的輸出電流很小,所以單片機的TTL 輸出電壓基本不能驅動蜂鳴器,于是在蜂鳴器上加了一個三極管,蜂鳴器的正極接VCC 蜂鳴器的負極,蜂鳴器的負極接三極管的發射極E,控制基極B 為電流從P33 腳通過限流電阻R7 連接。 此時,單片三極管Q2 正常關斷后,線圈無電流流過,蜂鳴器不響。 當P3.3 輸出低電平時,三極管導通時,蜂鳴器電流循環并發出聲音。 用戶可以使用程序控制蜂鳴器的聲音。

人體熱釋電紅外傳感器工作原理基于熱釋電效應。 人體的體溫恒定在37 ℃左右,所以它通過發射約10 μm 的紅外光來工作。 紅外感應源采用了熱釋電元件,通過菲涅耳濾光片放大約10 μm 的紅外線并將其集中在紅外感應源上。 人體一進入感應區域,人體的紅外線就聚焦在鏡面上,報警信號經單片機處理后,由熱釋電元件接收。

6 系統軟件功能

智能拐杖軟件主要包括復位設置、GPS 定位設置、在線監控、電子圍欄、家庭號碼設置、幫助等功能。

根據個人情況填寫相應的內容,確保手杖上安裝的GPS 定位功能已打開,根據GPS 位置確定手杖的位置。 當手杖傾斜時,蜂鳴器響起,硬件電路會打開報警。 1 分鐘后,硬件電路電機自動撥打預設電話以獲取進一步幫助。 用戶也可以在設置界面使用電子圍欄,超過設置范圍時會顯示報警提示。

GPS 定位分為在線監測和電子圍欄設置兩部分。在線監控功能可以通過3 種方式找到用戶:地圖、衛星和3D。

行程記錄系統主要由攝像頭、移動家庭終端和存儲功能組成。 當用戶打開設備時,該功能可正常使用。手杖通過攝像頭記錄用戶每天的出行路線。 用戶不僅可以遠程查看用戶端發生的事情,還可以通過記憶功能保存重要數據。 對于老年人或患有癡呆癥、健忘癥的人,家屬可以通過攝像頭和GPS 定位系統看用戶所在位置和現場情況,以便更快地找到用戶并將風險降至最低限度。 路線記錄儀可以記錄用戶所發生的一切,還可以通過攝像頭功能記錄路上的美景。

7 智能手杖市場調研

本研究收集淘寶購物平臺信息,統計產品特點及價格,選擇有代表性的產品進一步分析優缺點。 經調查,部分調查者有摔倒的情況,部分調查者表示該手杖較智能。 安全防護需求占比最大。 老年人疾病很多,如眼部疾病、耳部疾病等。 設計者要考慮老年人的視力和聽力問題。

8 結語

隨著大數據、云計算、人工智能等技術的不斷發展,老年智能產品也在不斷更新。 人們對智能手杖的期待也在發生變化。 設計巧妙的產品能提高老人的幸福感。 智能多功能手杖的新技術和創新設計受到眾多老年人和年輕人的青睞。 該設計功能齊全、使用壽命長、成本低,能滿足用戶的需求,具有廣闊的市場前景。