智能拐杖方案開發(fā)

現(xiàn)階段，我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，按照國家規(guī)定，65周歲以上的人確定為老年，2011年我國老年人口比重達(dá)13.7%，2013年我國60歲以上老年人口已突破2億，預(yù)計未來20年我國老年人口將進(jìn)入快速增長期，到2050年老年人口將達(dá)到全國人口的三分之一。老齡化問題不僅給每個家庭帶來了困惑，也給予社會極大壓力。老年人隨著年齡增長，記憶力、視力不斷下降，腿腳也越來越不靈活，反應(yīng)逐漸遲鈍等，出行不便，最近幾年老人走失情況越來越嚴(yán)重，在網(wǎng)絡(luò)和微博上經(jīng)常會看到尋找走失老人的新聞。據(jù)調(diào)查，65歲以上老人中至少有30%的人曾經(jīng)摔倒。

基于上訴這些問題，本文設(shè)計了專門為老年人而設(shè)計的智能拐杖。本設(shè)計工作的基本原理：(1)利用GPS定位功能隨時確定使用者位置；(2)使用者可以調(diào)節(jié)燈光的遠(yuǎn)近，方便夜間行走；(3)當(dāng)使用者摔倒時，報警系統(tǒng)開啟報警功能，以便使用者可以得到及時的幫助，同時向監(jiān)護(hù)人發(fā)送求救或者撥打相應(yīng)的電話求救，對老年人出現(xiàn)意外事故時提供切實(shí)有效的幫助；(4)通過熱釋電紅外線測量拐杖與使用者之間的距離，提醒使用者及時的使用拐杖或便于使用者尋找。

一、智能拐杖硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

多功能智能拐杖主要利用單片機(jī)技術(shù)，是一款具有紅外線測距、報警、傾斜等多功能的智能收縮拐杖。智能拐杖硬件主要由角度傳感器、熱釋電傳感器、蜂鳴器、89S52單片機(jī)控制電路組成。

1.2硬件電路設(shè)計

（1）SCA60C角度傳感器工作原理：本設(shè)計以89S52單片機(jī)為控制核心，用SCA60C單軸傾角傳感器測量拐杖的平衡狀態(tài)。當(dāng)拐杖處于平衡狀態(tài)時，角度傳感器SCA60C與水平面成0°，Vout端輸出0.5V的模擬電壓。當(dāng)拐杖垂直于地面時，角度傳感器SCA60C與水平面成90°，此時Vout輸出+5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅能精確檢測到0~90°的范圍，在此范圍之內(nèi)，Vout端輸出的是正比于傾角大小的+0.5V~+5V的模擬電壓信號，因此可以通過測定傳感器SCA60C輸出端Vout電壓的大小即可確定拐杖與水平面的角度。

（2）蜂鳴器驅(qū)動原理：電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線圈、振動膜片、磁鐵及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)出聲音。由于蜂鳴器的發(fā)聲需要一定電流才能驅(qū)動它，單片機(jī)I/O引腳輸出電流較小，因此單片機(jī)輸出TTL電壓基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，所以通過添加一個三極管來驅(qū)動放大蜂鳴器。

（3）人體熱釋電紅外傳感器的工作原理：熱釋電紅外傳感器都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器，人體都有37°左右的恒定體溫，所以會發(fā)出10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光鏡增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上，紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷。一旦人體進(jìn)入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接受，經(jīng)單片機(jī)處理后而產(chǎn)生報警。

二、智能拐杖軟件功能

智能拐杖軟件部分主要包括：初始化設(shè)置、建立GPS定位、在線監(jiān)控、電子圍欄、親情號設(shè)置、求助等功能。

（1）軟件框圖設(shè)計：監(jiān)護(hù)人可以通過web端或手機(jī)客戶端進(jìn)入該軟件界面，如果是初次使用，首先進(jìn)行初始化的設(shè)置。根據(jù)自身情況填寫相關(guān)的內(nèi)容，判斷安裝在拐杖中的GPS定位功能是否開啟，如果開啟，可以根據(jù)GPS定位得知此時拐杖所在的位置，當(dāng)拐杖歪倒時，硬件電路中的蜂鳴器開啟發(fā)出報警；當(dāng)超過1分鐘，通過硬件電路電機(jī)自動撥通預(yù)先設(shè)置好的電話，得到進(jìn)一步求助。也可以在界面中設(shè)置電子圍欄，當(dāng)超出所設(shè)定的范圍，進(jìn)行報警提示。

（2）呼叫設(shè)置：該設(shè)置最多可設(shè)置4個號碼，用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)置號碼，SOS按鍵可設(shè)置緊急呼叫。

（3）GPS定位功能：GPS定位分為在線監(jiān)控和電子圍欄設(shè)置兩部分，在線監(jiān)控功能可以通過地圖、衛(wèi)星、三維三種方式進(jìn)行定位。

三、智能拐杖外觀的設(shè)計

(1)拐杖設(shè)計有鋁合金伸縮桿，高度可從65cm-98cm進(jìn)行調(diào)節(jié)，重量為320g，適合更多人群。用法：用手壓下鋁合金桿上的按鈕，上下移動較細(xì)的鋁合金低桿，將按鈕扣入到較粗鋁合金桿對應(yīng)的孔位中，以滿足不同身高人群的使用需求，高度調(diào)節(jié)好了后，將鎖環(huán)鎖緊固定。

(2)照明、閃光用法：手柄頂部推鈕開關(guān)操作模式：開關(guān)一檔，白光LED燈照明；第二擋，白光LED照明+紅光LED燈閃光警示；第三檔，關(guān)。

(3)MP3功能用法：用手指輕按手柄側(cè)面中間MP3控制按鈕，MP3即處于工作狀態(tài)。此時用手指輕按左右按鍵，即可實(shí)現(xiàn)選中音樂。用手指輕按MP3上下音量控制按鍵，即可調(diào)節(jié)聲音大小，以適合的音量大小進(jìn)行音樂的收聽。

(4)充電用法：將充電一端插入產(chǎn)品DC口，另一端接入標(biāo)準(zhǔn)5V輸出USB母座，即可對產(chǎn)品內(nèi)部充電電池充電。此時充電紅色指示燈亮，充滿電后指示燈熄滅。

(5)GPS定位、電話、報警功能用法：將拐杖的GPS定位功能開關(guān)打開，即可進(jìn)行定位功能的實(shí)現(xiàn)，監(jiān)護(hù)人可以通過web端和手機(jī)客戶端登錄GPS定位平臺查看使用者的具體位置。同時可以通過按鈕1、2、3進(jìn)行撥通預(yù)先設(shè)置好的電話。監(jiān)護(hù)人也可以撥通拐杖內(nèi)置的電話卡號，通過接通電話進(jìn)行接聽。當(dāng)拐杖倒了以后，蜂鳴器自動發(fā)出報警聲音，當(dāng)人離開拐杖時，蜂鳴器發(fā)出滴滴的提示聲音。

總結(jié)

本設(shè)計針對老年人的心理和生理進(jìn)行研究，設(shè)計了這一款具有功能多樣化、技術(shù)新穎、市場針對性強(qiáng)，通過對樣機(jī)的測試，主要實(shí)現(xiàn)了如下功能：

(1)GPS定位功能，監(jiān)護(hù)人可隨時確定使用者的具體位置。監(jiān)護(hù)人可以通過GPS定位界面監(jiān)控使用者的活動軌跡，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時定位。(2)監(jiān)護(hù)人可以設(shè)置電子圍欄，當(dāng)超出所設(shè)定范圍時，開啟報警功能，必要時呼叫監(jiān)護(hù)人，發(fā)出求助信息。(3)當(dāng)拐杖傾倒，蜂鳴器開啟，超過1分鐘，將呼叫監(jiān)護(hù)人或SOS求救信號，以便得到及時的幫助。(4)LED照明燈、MP3、伸縮等基本功能。

設(shè)計中采用符合人機(jī)曲線橡膠把手，在使用時為其提供最大限度的安全舒適。隨著社會發(fā)展和生活水平提高，關(guān)心和改善老年人的生活質(zhì)量是大勢所趨，該設(shè)計功能全、重量輕、操作簡單、可靠使用、成本低，能滿足普通老百姓的購買能力和功能需求，具有廣闊市場前景。

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