陳小青，葉漢金，張 怡，曾甜甜，張靜靜

（莆田學(xué)院，福建 莆田 351100）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)老齡人口逐年上升，老年市場(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)增，相應(yīng)市場(chǎng)需求也隨之?dāng)U大。由于老年人的身體方面等原因，在外出途中不易攜帶較為沉重的行李。當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)的傳統(tǒng)旅行箱，僅能解決基本的收納與便攜需求，在實(shí)際使用過(guò)程中，并不能良好地解決老年人輕松出行、精神享受與安全隱患等方面的問(wèn)題。為此，開發(fā)出一款智能產(chǎn)品，將代步工具與旅行箱相結(jié)合，發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”物物相連模式，能夠在巧妙地解決老年人出行問(wèn)題同時(shí)，提高出行質(zhì)量。目前市面的已出現(xiàn)的智能旅行箱，功能單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不能較好地解決老年人的出行問(wèn)題。因此設(shè)計(jì)出一款將平衡車與旅行箱相結(jié)合的產(chǎn)品，不僅能滿足老年人外出攜帶行李的基本需求，還可以為該用戶群體提供更加優(yōu)質(zhì)且人性化的服務(wù)。在滿足行李攜帶的基本需求以外，增加了FM 收音機(jī)的娛樂(lè)功能，豐富老年人的生活。其次，為保障老年人的出行安全，還需要配備緊急呼救系統(tǒng)，來(lái)保證老年人出行時(shí)遇到的突發(fā)情況。此外，還增設(shè)了GPS 定位導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅可以為老年人提供方向指示，還可以通過(guò)與其監(jiān)護(hù)人的手機(jī)app 綁定，方便監(jiān)護(hù)人實(shí)時(shí)了解老人情況。最后，通過(guò)配備指紋防盜的安全系統(tǒng)，來(lái)保證老年人在路途中的財(cái)產(chǎn)安全，最大限度方便老年的各種旅行的需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品通過(guò)超聲波傳感器對(duì)周圍環(huán)境掃描感應(yīng)，行李箱能自行避讓障礙物，減少產(chǎn)品的磕碰和降低損壞率；并將周圍環(huán)境信息進(jìn)行處理，智能判斷使用者所處環(huán)境信息，若發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，將自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，切實(shí)保障使用者安全；產(chǎn)品設(shè)計(jì)中還充分發(fā)揮了“互聯(lián)網(wǎng)+”優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)‘物物相連’，開發(fā)相應(yīng)APP 將行李箱位置信息同步到使用者手機(jī)上，即使不慎遺落產(chǎn)品，也能快速找回；同時(shí)為了提升旅途質(zhì)量，還專門設(shè)置了FM 收音功能，可根據(jù)自己喜好調(diào)換不同頻道；此外，開鎖方式不局限于傳統(tǒng)的行李箱，還增加了指紋防盜設(shè)計(jì)，既保障了使用者自身權(quán)益還簡(jiǎn)化了使用者的開鎖步序。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

老年人平衡車旅行箱采用一款可折疊的平衡車底座，并以單片機(jī)為中央處理器，分別控制障礙探測(cè)模塊、GPS 定位模塊、FM 收音機(jī)模塊，以及為了保障老年人的人身安全而設(shè)計(jì)的指紋防盜和SOS 緊急呼救模塊。使用者可以通過(guò)旅行箱上的功能按鍵，對(duì)GPS 導(dǎo)航、FM 收音機(jī)、SOS 緊急呼救三大功能進(jìn)行隨意切換。旅行箱底座通過(guò)車架、連接塊與限位桿之間的滑動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)可折疊的使用功能；障礙探測(cè)采用HC-SR04 超聲波模塊進(jìn)行距離測(cè)量，并結(jié)合DS18B20 模塊，對(duì)溫度的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響；定位模塊將GPS 系統(tǒng)與GLONASS 系統(tǒng)相結(jié)合以提高定位的準(zhǔn)確度和人性化的服務(wù)功能；FM 收音機(jī)模塊采用Si4703 芯片與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信；指紋防盜采用射頻指紋技術(shù)，從信號(hào)的瞬態(tài)部分提取指紋；SOS 緊急呼救模塊支持手動(dòng)報(bào)警與自動(dòng)報(bào)警，用戶可以通過(guò)旅行箱上的功能按鍵觸發(fā)報(bào)警功能，當(dāng)用戶出現(xiàn)特殊情況，通過(guò)GPS 模塊提供的位置數(shù)據(jù)，發(fā)送信息給GSM 的遠(yuǎn)程接收系統(tǒng)。具體如圖1。

圖1 老年人平衡車旅行箱框架結(jié)構(gòu)圖

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 平衡車底座

可折疊平衡車底座[1]大體有車架底座、車架、連接塊以及腳墊組成，其中轉(zhuǎn)動(dòng)塊連接在車架上，定位塊鏈接在連接塊的頂部。定位塊的內(nèi)側(cè)連接推板，滑塊內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)左右兩端分別設(shè)置兩個(gè)連接桿。推板連接到連接桿的另一端外側(cè)使其可以轉(zhuǎn)動(dòng)，連接滑塊、推板與車架依次相互滑動(dòng)連接。限位桿滑動(dòng)連接在推板內(nèi)測(cè)，限位桿與連接塊固定連接。限位桿外出滑動(dòng)連接第一彈簧，推板與第一彈簧滑動(dòng)連接，第一彈簧滑與連接塊滑動(dòng)連接。固定塊滑動(dòng)連接在車架內(nèi)測(cè)上端，腳墊與該固定塊固定連接，車架與該腳墊滑動(dòng)連接，該固定塊內(nèi)測(cè)與定位桿滑動(dòng)連接，定位桿下端固定連接限位塊，限位塊固定連接第二彈簧。固定塊與該第二彈簧滑動(dòng)連接，腳墊與該定位桿滑動(dòng)連接，該定位桿頂端固定連接有踏板，腳墊與該踏板滑動(dòng)連接，該固定塊靠近連接塊中心的一端外側(cè)滑動(dòng)連接有第三彈簧，車架與第三彈簧滑動(dòng)連接。限位塊以凸?fàn)钤O(shè)置，該限位塊有兩個(gè)，該限位塊呈對(duì)稱分布在固定塊內(nèi)側(cè)左右兩端，且限位塊的對(duì)稱軸與固定塊的中心軸重合。推板有兩個(gè)，且推板呈L 狀設(shè)置，該推板呈對(duì)稱分布在連接塊左右兩端。具體如圖2。

圖2 老年人平衡車旅行箱底座設(shè)計(jì)圖

3.2 障礙探測(cè)模塊

障礙探測(cè)模塊選用超聲波傳感器對(duì)障礙進(jìn)行測(cè)量。超聲波監(jiān)測(cè)具有簡(jiǎn)單、便捷實(shí)時(shí)控制性強(qiáng)的特點(diǎn)，在測(cè)量距離、測(cè)量角度等方面能夠滿足實(shí)際需求。在本設(shè)計(jì)中采用HC-SR04 超聲波模塊，測(cè)量距離為2～400 cm，測(cè)量角度為30°，測(cè)量精度為3 mm，性能穩(wěn)定，盲區(qū)小，該模塊的在機(jī)器人避障，智能小車避障等應(yīng)用領(lǐng)域頗有成效。超聲波傳感器測(cè)障通過(guò)發(fā)射管發(fā)出超聲波，在遇到障礙物后，超聲波被反射回來(lái)給接收器，根據(jù)是否收到反射波、接收時(shí)間和超聲波傳播速率判斷是否存在障礙；超聲波傳播速率受溫度的影響較大，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在本系統(tǒng)中采用了DS18B20 模塊，對(duì)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)部分對(duì)溫度做一定的補(bǔ)償。

3.3 GPS 定位模塊

本設(shè)計(jì)中利用GPS 功能為產(chǎn)品進(jìn)行定位，從而判斷使用者的位置。GPS 衛(wèi)星采取直接序列擴(kuò)頻方式調(diào)制信號(hào)，并設(shè)置擴(kuò)頻碼的周期為7 天的精密碼和周期為1 ms 的截獲碼，最后測(cè)量四個(gè)衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)到接收端接收信號(hào)的時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)位置信息。為消除傳統(tǒng)GPS 接收信號(hào)的延遲問(wèn)題，設(shè)計(jì)還采用了卡爾曼濾波的新型捕獲算法來(lái)減少信號(hào)跟蹤丟失率，提升在不同工作環(huán)境下的信號(hào)穩(wěn)定概率。此外，對(duì)接收機(jī)后端的信號(hào)作出的算法改進(jìn)使接收端具有較高的靈敏度。為進(jìn)一步提高定位數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中還將GPS 系統(tǒng)與GLONASS 系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合以達(dá)到較高的服務(wù)功能。

3.4 FM 收音機(jī)模塊

該產(chǎn)品通過(guò)配置FM 收音機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)智能搜索頻道的功能。通過(guò)集成式Si4703 芯片，使單片機(jī)與FM 收音機(jī)模塊可以實(shí)現(xiàn)串行通信。該芯片基于數(shù)字化架構(gòu)，不必通過(guò)人工操作的方式便可以進(jìn)行調(diào)校，具有自動(dòng)化的電臺(tái)搜索與調(diào)整能力。使用Si4703 芯片只需與少量的電路元器件進(jìn)行連接便能嵌入本產(chǎn)品的電路中，實(shí)現(xiàn)FM 收音機(jī)功能。本產(chǎn)品使用Si4703 的3 種控制模式中的默認(rèn)方式，即與IIC 總線兼容的2 線串行控制模式[2]，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平，將數(shù)據(jù)信號(hào)從高電平轉(zhuǎn)換為低電平的有效時(shí)間內(nèi)，啟動(dòng)并傳送數(shù)據(jù)，直到讀到停止指令后終止工作。

3.5 指紋防盜模塊

在考慮到旅行環(huán)境與技術(shù)成本下，我們排除了對(duì)環(huán)境濕度與溫度有一定要求的光學(xué)式指紋模塊識(shí)別技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)難度較大的電容式指紋技術(shù)，該產(chǎn)品最終選用基于信號(hào)的射頻指紋技術(shù)。該技術(shù)主要依賴傳感器自身發(fā)出微量的信號(hào)，通過(guò)穿透用戶的表皮層來(lái)提取指紋紋路，從而捕捉到清晰的指紋圖像，最后在與儲(chǔ)存庫(kù)中的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選對(duì)比，以保證指紋的準(zhǔn)確性，防止不合法的用戶使用該旅行箱。

3.6 SOS 緊急呼救模塊

SOS 緊急呼救模塊采用GSM+GPS 報(bào)警系統(tǒng)[3]。當(dāng)用戶按下SOS 緊急呼救按鍵時(shí)，GPS 模塊負(fù)責(zé)記錄準(zhǔn)確位置，GSM 模塊可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼發(fā)送信息至緊急聯(lián)系人手機(jī)并監(jiān)聽事故現(xiàn)場(chǎng)的信息，負(fù)責(zé)發(fā)送位置信息給緊急聯(lián)系人，實(shí)現(xiàn)SOS 緊急呼救功能。

4 平衡車旅行箱緊急呼救系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，用戶可以快速按下平衡車行李箱手柄處的SOS 緊急呼救按鈕。平衡車旅行箱通過(guò)集成導(dǎo)航型GPS 接收機(jī)，信號(hào)通道從天線接受信號(hào)，并通過(guò)前置放大器，將信號(hào)頻率放大，GPS 接收機(jī)中的計(jì)算單元將定位衛(wèi)星接收到的星歷計(jì)算成地理位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)。為了防止高緯度地區(qū)的定位出現(xiàn)問(wèn)題，利用GPS 與GLONASS 組合定位算法[4]，進(jìn)一步提高定位的精確度。該算法的具體實(shí)現(xiàn)如下：

假設(shè)分別在同一時(shí)刻對(duì)GPS 衛(wèi)星和GLONASS 衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，分別設(shè)為i、m、j、n，其中j 和m 是GSP 衛(wèi)星，j、n 是GLONASS 衛(wèi)星，得到的雙差觀測(cè)方程[4]為：

把距離作為單位，公式（1）與（2）可表示為：

其中▽、▽△分別表示為單差算子和雙差算子，載波相位觀測(cè)值φ、載波波長(zhǎng)λ、衛(wèi)地距離ρ、載波相位觀測(cè)值φ、衛(wèi)星頻率f與載波相位模糊度N的關(guān)系如以上公式所示。

經(jīng)過(guò)把公式（1）和公式（2）合并，接收機(jī)鐘差δt被消去，所以該算法可以消除衛(wèi)星接收機(jī)中的鐘差的影響，減小因星歷誤差而導(dǎo)致的定位差錯(cuò)。

單片機(jī)將通過(guò)串口從GPS 模塊獲取用戶所在位置的經(jīng)緯度信息報(bào)文，并將該信息以編碼的形式發(fā)送給GSM 模塊。GSM 模塊初始化完成后，一直在等待單片機(jī)發(fā)送緊急呼救信息，當(dāng)用戶操作后，GSM 讀取報(bào)警信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼發(fā)送信息至緊急聯(lián)系人手機(jī)。如果是老人誤按緊急呼救按鈕，只需要連續(xù)再按兩次，手柄震動(dòng)，單片機(jī)將會(huì)控制GSM 模塊發(fā)送誤報(bào)信息給緊急聯(lián)系人，防止聯(lián)系人擔(dān)心老人的安危。

5 老年人平衡旅行箱的優(yōu)點(diǎn)以及注意事項(xiàng)

本設(shè)計(jì)采用了可折疊的平衡車底座來(lái)實(shí)現(xiàn)旅行箱與代步工具的相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)旅行箱攜帶出行不方便的問(wèn)題。同時(shí)配備的HC-SR04 超聲障礙探測(cè)，GPS+GLONASS 系統(tǒng)導(dǎo)航與GSM+GPS 相結(jié)合的SOS緊急呼救系統(tǒng)，從安全可靠方向保證了老人的智能旅行，安心出行。另外，F(xiàn)M 智能收音機(jī)，RF 指紋技術(shù)的防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)從親和便捷方式滿足了老年人娛樂(lè)需求，保障了老年人的自身權(quán)益，也簡(jiǎn)化了開鎖程序。各功能的實(shí)現(xiàn)緊隨“物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代”的腳步，用“物物相連”從各個(gè)方面最大限度地滿足老年人各中旅行需求。但是在特殊的環(huán)境下與崎嶇不平的道路與爬式階梯中，還存在著GPS 定位不準(zhǔn)確與操控較為困難的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的老年人平衡車行李箱，通過(guò)將行李箱與平衡車的結(jié)合，解決了老年人行李搬運(yùn)過(guò)程中的勞累和不便；同時(shí)結(jié)合了指紋解鎖和GPS 技術(shù)，解決了行李箱丟失問(wèn)題，也避免了老年人丟失的問(wèn)題；針對(duì)老年人這一群體特別增加了收音機(jī)、障礙檢測(cè)和SOS 緊急呼救的功能，滿足了老年人娛樂(lè)需求，對(duì)老年人的安全進(jìn)行一定的保障。該老年人平衡車行李箱為老年群體提供智能化及便捷化的服務(wù)，在滿足實(shí)際出行需求的同時(shí)，提供高品質(zhì)的精神服務(wù)，為攜帶過(guò)多行李出門的老年人提供一款與時(shí)代共同進(jìn)步的新時(shí)代產(chǎn)品，方便了老年人的出行，對(duì)于智能行李箱市場(chǎng)的開拓和老年人智能設(shè)備設(shè)計(jì)、研發(fā)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。