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。
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
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。
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
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
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?,F(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??尚拍芰?,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)
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)。
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。
基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能智能拐杖是老年人等弱勢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。