基于單片機的老年人智能化拐杖設計

關鍵詞：阿里云；目標檢測；老年人；拐杖；智能化

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）36-0093-03"開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

隨著社會的老齡化趨勢，老年人的安全和健康問題愈發受到重視。為此，團隊設計了一款基于阿里云HaaS后臺服務框架的智能化拐杖，旨在實時監測老年人的身體狀況并提供必要幫助。

這款拐杖的創新之處在于其集成了多種先進技術，特別是百度飛槳平臺實現的跌倒檢測技術。一旦檢測到老年人跌倒，它會立即通過GPS定位和短信報警功能通知家人或緊急聯系人，確保老年人得到及時救助。

此外，拐杖還具備心率和體溫監測功能，能夠實時關注老年人的健康狀況。一旦檢測到異常，它會觸發報警機制，確保老年人獲得及時醫療救助。同時，阿里云HaaS后臺服務框架為拐杖提供了強大的數據處理和存儲能力，使健康數據更為全面和準確。

在設計上，追求用戶體驗和設備的穩定性。簡潔的操作界面和人性化的設計使老年人能夠輕松使用，而高品質的材料和先進工藝則確保了拐杖的耐用性和可靠性。

預期中，這款智能化拐杖將顯著提升老年人的生活質量和安全感，減輕家庭壓力，促進社會的和諧發展。共同期待它能夠成為關愛老年人的重要工具，讓科技為老年人帶來更多溫暖和便利。

1 國內市場現狀

隨著信息網絡的飛速發展，許多商品逐漸智能化，極大地提升了我國人民的生活品質，并成為中國經濟發展與社會轉型的重要動力。我國政府始終將“互聯網+”和人工智能技術在實體經濟中的應用視為國家各領域轉型的關鍵方向。《中國制造2025》《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》以及《關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》等國務院層面的重要政策均明確提出，要大力推進互聯網技術的創新應用[2]。

目前，老年人口占比大，且隨著人口老齡化問題的日益嚴重，這一問題在社會中引起了廣泛關注。在人口老齡化加劇、國家政策支持等因素的推動下，智能化拐杖市場迎來了崛起和創新發展的機遇，推動了這一市場的快速發展。

隨著現代社會人口老齡化程度的不斷加深，老年人日常出行的安全問題愈發受到關注。然而，傳統拐杖功能單一、智能化程度低，已無法滿足當前社會的需求。因此，需要借助互聯網技術對拐杖進行智能化改進和創新，以滿足老年人出行的安全需求。

2 國內人口現狀

從全國范圍來看，到2020年，我國60歲及以上老年人口占比已達23.4%，60歲及以上人口增長率超過43.24個百分點，65歲及以上老年人口占比13.5%，65 歲及以上人口增長率超過總人口增長率55.04個百分點，老化率已達11.23%，人口老化速度增長明顯快于總人口的增長速度[3]。伴隨老齡化程度的不斷加深，空巢老人問題日益突出。由于成年子女工作壓力大、勞動人口外流等原因，他們難以承擔撫養多個老年人的責任。加之老年人易患慢性疾病，且缺乏日常照料和陪伴，這為老年人的生活安全帶來了諸多挑戰。

3 拐杖整體結構設計

本文所介紹的老年人智能化拐杖是一款基于阿里云HaaS 后臺服務框架和深度學習技術的創新產品。該智能化拐杖由軟件平臺和硬件終端兩部分組成，旨在提供老年人日常生活的安全與健康保障。軟件平臺部分是基于阿里云物聯網平臺實現的24小時全天候實時可視化拐杖數據監測，它能夠實時展示老年人的心率、定位和體溫數據，讓家人或監護人隨時掌握老年人的身體狀況和位置信息。硬件終端部分由芯片、Wi-Fi模組、GPS實時定位傳感器、紅外線體溫監測傳感器、心率監測傳感器、攝像頭模組和GSM 短信傳感器等組成，主要負責老年人使用拐杖過程中心率、體溫、人體狀態、地理位置等信息的采集和上云，以及在需要時發出相應求救短信及時救護老年人，最大限度保證老年人的健康安全。

3.1 硬件設計

本文智能化拐杖中硬件終端部分精選了高性能的組件，以滿足智能化拐杖的各項功能需求。具體如圖1所示。

3.1.1 STC8A8K64S4A12開發板

選用STC8A8K64S4A12作為主控芯片，這款8位CPU芯片擁有最大64KB Flash和4個UART接口，能夠滿足智能拐杖在數據處理、通信擴展和實時響應方面的需求。

3.1.2 摔倒監測模組

采用ESP32-WROVER-DEV開發板搭配OV2640 W攝R像O頭VE，R實-現DE基V于開深發度板學的習高的性摔能倒和檢低測功功耗能特。性ES，P結32合- OV2640攝像頭的圖像采集能力，能夠準確識別老年人的摔倒動作，并通過GSM短信及時通知家人或緊急聯系人。

3.1.3 體溫監測模組

選用MLX90614紅外線傳感器，實現非接觸式體溫監測。該傳感器具備高精度和高分辨率，能夠準確反映老年人的體溫變化，并實時上傳至云平臺。

3.1.4 心率監測模組

采用PulseSensor傳感器，通過手指接觸的方式采集加上簡單計算即可獲取老年人的心率數據，并傳輸至主控芯片進行處理和上傳。該傳感器方便集成且易于二次開發，滿足智能拐杖對心率監測的需求。

3.1.5 GPS定位模組

采用HT2828Z3G5L 傳感器，支持北斗和GPS 雙模定位，具備高靈敏度和低功耗特點。無論在城市峽谷還是高架下等信號弱的地方，都能實現快速、準確的定位。

3.1.6 GSM短信模組

在GSM短信模組的選擇上，選用SIM800C模塊。

這款模塊因其出色的四頻GSM/GPRS支持、數據傳輸速率高達85.6kbps和具備強大的擴展性和豐富的接口，包括GPIO、USB2.0和UART等。滿足在各種環境下都能保持穩定的通信連接需求和為拐杖的多樣化功能提供了硬件支持。

選用SIM800C的另一個重要原因是其小巧的尺寸（17.6mm×15.7mm×2.3mm） ，使其能夠靈活地集成到拐杖的任何位置。同時，其低功耗設計確保了長時間使用的穩定性，為拐杖的持續通信提供了可靠保障。這些硬件組件的選型均圍繞功能需求、性能參數、接口支持和尺寸功耗等方面進行了綜合考慮，以確保智能化拐杖的穩定性和可靠性。

3.2 軟件設計

在嵌入式軟件設計方面，本文采用了模塊化的程序框架，包括傳感器驅動、數據采集存儲、云端通信等模塊，確保系統的高效穩定運行。同時，云平臺提供了訪問控制和數據加密等安全防護措施，保障用戶數據的安全。

該智能化拐杖的設計中需要通過編程實現的有：

1） 數據采集：通過集成傳感器，實時采集體溫、心率、GPS定位等關鍵數據，并通過攝像頭捕獲目標檢測圖像。

2） 云端上報：采集到的數據通過嵌入式系統處理后，上傳至阿里云HaaS物聯網平臺，實現數據的遠程監控和管理。

3） 摔倒監測：利用百度飛槳平臺的目標檢測功能，開發了一個高精度的摔倒檢測算法。該算法基于YOLOv5模型，通過訓練和優化，實現了對摔倒事件的準確識別。攝像頭采集的圖像數據被傳輸至云端進行檢測，一旦檢測到摔倒事件，系統將立即觸發相應的應急措施。

4） 短信通知：SIM800C傳感器接收來自阿里云物聯網平臺的數據信息，一旦檢測到摔倒事件或其他異常情況，將自動發送短信通知給用戶或其監護人。

主程序流程如圖2所示。

3.2.1 阿里云物聯網平臺

阿里云HaaS物聯網平臺為智能化拐杖提供了穩定的數據監測解決方案。該平臺具有強大的計算和存儲能力，能夠滿足拐杖數據監測的需求。同時，阿里云HaaS提供了必要的安全功能，如數據加密和訪問控制，以確保用戶數據的安全。通過阿里云控制臺，可以輕松創建、配置和管理相關資源，實現對拐杖功能的可視化管理。

本文采用阿里云HaaS物聯網平臺作為云端解決方案，并使用Python語言編寫云服務器后臺程序。首先，在平臺上創建項日和新建產品，配置相應的設備證書（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）和Prod-uctSeeret。接著，將這些信息燒錄劍智能化拐杖的Wi-Fi模塊，使模塊能夠聯網并接人阿里云HaaS平臺。最終，用戶可以通過IoT Studio上的可視化Web頁面查看拐杖的實時數據，如體溫、心率、CPS定位等。

3.2.2 百度飛槳平臺

百度飛槳平臺是百度自主研發的具有豐富功能的產業級深度學習開源開放平臺，以百度的深度學習技術研究和業務應用為基礎[4]。

在百度飛槳平臺的應用方面，詳細規劃了數據集的采集、標注、模型訓練以及優化過程。通過精心設計的實驗和迭代優化，確保了模型的高檢測精度和高分辨率。在模型部署方面，采用了端側和云端相結合的方式，既保證了實時性，又降低了網絡傳輸的壓力。

具體操作：

1） 數據集采集與標注：首先，自制了一個數據集，用于訓練摔倒檢測模型。該數據集包含了多種摔倒場景下的圖像數據，并通過人工標注出目標區域。

2） 模型選擇與訓練：選擇YOLOv5作為模型框架，并利用百度飛槳平臺提供的計算資源進行模型訓練。通過多次迭代和優化，獲得了具有高檢測精度的模型。

3） 模型部署與運行：將訓練好的模型部署到云端服務器，并通過智能化拐杖的攝像頭采集圖像數據。數據通過Wi-Fi模塊傳輸至云端，由飛槳平臺進行檢測。一旦檢測到摔倒事件，系統將立即觸發相應的應急措施，并通過SIM800C傳感器發送短信通知給用戶或其監護人。

4） 通過百度飛槳平臺的應用，為智能化拐杖賦予了摔倒監測的功能，提高了老年人的使用安全性。最后，整個系統通過主程序流程進行協調和控制，確保各個模塊之間的順暢通信和高效協作。通過這一設計，為老年人提供了一個安全、智能的拐杖解決方案。

4 外觀設計

正常情況下，在挑選拐杖外觀時，人們會注重5個方面：重量、長度、把手、止滑、支撐[5]。

4.1 選重量

首先，許多人以為拐杖越輕越好。這其實是錯誤的觀念，因為拐杖太輕時輔助效果會打折，容易導致拐杖折斷；但如果拐杖太重的情況下，老年人拿久之后會導致老年人的身體會受不了[6]。因此，在材質的選擇上也是經過深思熟慮。

對于拐杖的把手部分，本文選用Pu材質。Pu材質不僅結實耐用，還具有卓越的柔韌性和彎曲性，這使得拐杖在使用時能夠更貼合用戶的手部，提供更舒適的握持體驗。同時，Pu材質的柔軟靈活也讓它不容易被拉斷，保證了使用的安全性。更重要的是，Pu材質還具備出色的透氣性和防水性能，無論是在潮濕還是干燥的環境中，都能保持良好的使用狀態。而且， Pu材質整體重量輕盈，非常適合老年人使用。對于拐杖的主體部分，則是采用碳纖維復合材料。這種材料不僅輕盈，還具備極高的強度和耐用性，能夠承受各種復雜的使用環境。碳纖維復合材料的堅固耐用特性使得拐杖在使用過程中不易變形，長時間保持良好的性能。同時，它還具有出色的抗震能力，即使在顛簸的路面上，也能保持穩定的支撐效果。此外，碳纖維復合材料還能有效抵抗腐蝕，即使在潮濕的環境中也能保持其原有的性能。這些優點都使得碳纖維復合材料成為智能化拐杖主體部分的理想選擇。

最終把該拐杖的實際重量控制在了一個600至900克的理想范圍內。

4.2 挑長度

拐杖的長度太長或太短都不好，手拄太短的拐杖，需要老年人彎腰才能將拐杖撐地；但太長的拐杖，老年人就不好施力。因此在設計智能化拐杖時，針對此問題設計了伸縮裝置，老年人可以自行根據個人體型身高對智能化拐杖的長度進行調整。

拐杖的伸縮桿由兩部分組成：上桿和下桿。這兩部分之間使用按壓式鎖定機構連接。按壓式鎖定機構則是使用一個平面彈簧，通過按壓扣件來鎖定或解鎖杖身，使用相對方便。為了調節高度，以適應不同身高的老人，主桿長度在64～105 cm 范圍內可調。

4.3 看把手

在把手設計方面，團隊深入研究了人體工程學原理，特別是關注于手部結構、握持習慣以及老年人群體的手部變化。因此，精心設計一種帶有弧度的把手，這種設計充分考慮了老年人的手型特點，如手掌的大小、手指的彎曲度等，以確保把手能夠貼合他們的手部輪廓。這種設計不僅提高了老年人在使用智能化拐杖時的舒適度，還增強了握持的穩定性，使得他們在行走過程中更加安心。

4.4 增止滑

智能化拐杖的4個底座選用橡膠腳套進行包裝。這種橡膠腳套顯著增大了拐杖與地面接觸時的摩擦系數，具體來說，它能將摩擦系數提高到原來的1.22 倍，從而提高了拐杖的穩定性，使得用戶在使用時更加安心。

4.5 加支撐

根據底座進行區分，可將拐杖分為單點支撐的“單拐”和多點支撐的“四腳拐”。

兩者的差別在于底部支撐面積的多少，“單拐”只有一個點在支撐拐杖，而“四腳拐”有四個支撐點，支撐點越多越穩。因此，在智能化拐杖的設計上采用“四腳拐”模型作為拐杖的底座。但“四腳拐”的重量可能會稍大一些，使用時靈活性可能不如“單拐”。最后通過選用的材質不同，減少了大部分重量。

5 結束語

首先，這款拐杖集成了攝像頭、GPS、紅外線測溫模塊、心率模塊以及GSM模塊，使其能夠實時獲取老年人的身體狀態數據、位置信息、體溫和心率數據，并在出現異常時通過短信及時通知家屬或聯系人。這種多功能的集成不僅提高了拐杖的實用性，也極大地增強了老年人在日常生活中的安全保障。

其次，通過下位機將數據發送到阿里云平臺，家屬或聯系人可以在平臺端可視化地查看老年人的體溫、心率和經緯度等信息，這種智能化的設計使得信息的獲取更為便捷和直觀。同時，拐杖的GPS定位功能使得家屬或聯系人能夠隨時了解老年人的位置，進一步提升了安全保障。

經過多次實驗調試，這款智能化拐杖已經初步實現了GPS定位、摔倒報警、心率監測、體溫監測和短信發送等功能，展現出了其強大的實用性和可靠性。同時，也意識到這款拐杖仍有進一步完善的空間。

期待通過不斷地優化和改進，使這款智能化拐杖在功能上更加豐富和強大。例如，可以加入語音交互功能，使得老年人能夠更加便捷地與拐杖進行互動；也可以加入更多的健康監測模塊，如血壓監測、血糖監測等，以更全面地關注老年人的健康狀況。

這款智能化拐杖將具有廣闊的市場前景。這款拐杖以其豐富的功能和強大的實用性，將能夠滿足老年人和家屬的多樣化需求，為老年人帶來更加便捷、舒適和安全的生活體驗。同時，這款拐杖也將在醫療、養老等領域發揮更大的作用，為老年人帶來更多的福音。