姚博文,施 夏,劉宇澳

(?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院,海南 ?？?570000)

0 引言

隨著世界人口的快速增長,人口數(shù)量也在穩(wěn)步增加,相比傳統(tǒng)的普通手杖,目前市面上的智能手杖雖然內(nèi)置了一些功能部件,比如防滑、照明、收音機(jī)等,但是功能還需要改進(jìn)。 例如:當(dāng)老人發(fā)生異?；蛞馔馇闆r時(shí),手杖未能向周圍和家人發(fā)出求救信號(hào),導(dǎo)致老人無法及時(shí)獲得救援,需要特殊的智能手杖來幫助老年人安享晚年,準(zhǔn)確識(shí)別老人異?；蛲话l(fā)事故或身體不適,自動(dòng)向周圍發(fā)出求救信號(hào),讓老人在最短的時(shí)間內(nèi)得到幫助,讓家人了解老人的情況,并及時(shí)撥打“120”等救助電話。

1 智能化手杖工作原理及結(jié)構(gòu)

智能手杖主要由整個(gè)智能拐杖系統(tǒng)控制、監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器、滿足實(shí)際環(huán)境要求的人機(jī)界面、便于與移動(dòng)終端進(jìn)行信息傳輸?shù)臒o線通信模塊、數(shù)據(jù)信息閃存模塊、RTC 時(shí)鐘模塊控制器、傳感器、存儲(chǔ)和判斷程序行為的無線通信模塊組成。 智能手杖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能手杖結(jié)構(gòu)

智能手杖的無線充電插座用于補(bǔ)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(dāng)老人使用智能手杖時(shí),無線充電器關(guān)閉卡槽,充電停止。

電源模塊用于為設(shè)備提供電能,包括光電轉(zhuǎn)換、動(dòng)能轉(zhuǎn)換、電池供電、充電及儲(chǔ)能管理、可控穩(wěn)壓電路。數(shù)據(jù)信息可通過電源模塊輸入,以保證電源的持續(xù)供電。

控制器模塊根據(jù)傳感器的狀態(tài)獲取設(shè)備當(dāng)前情況,監(jiān)測(cè)老人是否跌倒、搖晃的次數(shù)。 傳輸信息通過無線通信模塊控制RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)間,RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘也可以在斷電的情況下由電池供電。

人機(jī)界面模塊用于為老人提供報(bào)警聲、光信號(hào)。喇叭提供報(bào)警聲和時(shí)間提醒。 LED 顯示報(bào)警光信號(hào)和低電量信號(hào),以了解意外警報(bào)信息、低電池電壓信號(hào)等情況。

閃存模塊用于存儲(chǔ)所有有效信息,例如存儲(chǔ)定期發(fā)送給老人的數(shù)據(jù)信息以及智能拐杖觸地后的報(bào)警信息,并實(shí)時(shí)傳輸給控制器模塊進(jìn)行計(jì)算。

傳感器模塊用于記錄老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具體包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)采集和重力方向傳感器數(shù)據(jù)采集。

無線通信模塊用于提供包括數(shù)據(jù)和RSSI 在內(nèi)的無線廣播信號(hào),實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。 移動(dòng)終端(如手機(jī))中的App 可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和跟蹤智能拐杖。 相關(guān)信息通過狀態(tài)輸出終端實(shí)時(shí)傳遞給控制器。 當(dāng)老人遇到突發(fā)情況,監(jiān)護(hù)人可以通過手機(jī)端App 了解老人的當(dāng)前狀態(tài)[1]。

2 智能手杖設(shè)計(jì)目的

智能手杖的設(shè)計(jì)目的如下:(1)通過盲導(dǎo)系統(tǒng)中的超聲波結(jié)合聲波和紅外線檢測(cè)障礙物,使用戶能夠看到前方的道路,更準(zhǔn)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(shí)時(shí)情況,路線記錄系統(tǒng)允許攝像頭記錄當(dāng)天發(fā)生的一切,并將其保存到SD卡中。 智能手杖隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶情況,了解現(xiàn)場(chǎng)狀況或現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景。 (3)蜂鳴器警告系統(tǒng)和燈光可以幫助用戶在夜間使用時(shí)警告別人或吸引別人的注意力[2]。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手杖配備了GPS 模塊、GPRS 手機(jī)通信模塊、MP3播放控制模塊等,側(cè)面有信標(biāo)、控制按鈕,背面有揚(yáng)聲器,內(nèi)置GPS 定位模塊和GPRS 通信模塊。 智能手杖總體結(jié)構(gòu),如圖2 所示。 導(dǎo)游可隨時(shí)定位每個(gè)游客的行蹤并保持聯(lián)系。 當(dāng)發(fā)生危機(jī)時(shí),游客可以得到及時(shí)的救助[3]。

圖2 智能手杖總體結(jié)構(gòu)

3.1 主要部分設(shè)計(jì)

防滑手柄在整個(gè)搖桿的頂部,LED 燈在防滑手柄的正面,控制開關(guān)在頂部中央。 考慮到不同老人的手型和手掌粗細(xì),防滑握把采用人體工學(xué)原理,引入個(gè)性化設(shè)計(jì),根據(jù)老人握持習(xí)慣,表面磨砂。 防滑手柄擁有MP3 模塊、FM 收音機(jī)和STM32 控制器。 所有物理按鍵都在防滑握把上。 為增加實(shí)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(xì)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(gè)可調(diào)節(jié)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(nèi)徑20 mm;伸縮桿2 外徑19 mm,內(nèi)徑17 mm。 伸縮桿高度(10級(jí))可調(diào),兩個(gè)調(diào)節(jié)孔的中心距為25 mm。

管道縮桿材質(zhì)型號(hào)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?shù)某叽绫仨毞舷嚓P(guān)規(guī)定國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 減震防滑腳墊設(shè)計(jì)

減震防滑腳墊附在底部伸縮桿上,其主要作用是吸收震動(dòng),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(shè)計(jì)

老人智能手杖應(yīng)減少一些娛樂功能,而主要關(guān)注老人的安全需求,如對(duì)未知環(huán)境危害的檢測(cè)和預(yù)警,突然跌倒時(shí)的報(bào)警和幫助。 (1)危害監(jiān)測(cè)預(yù)警。 使用大數(shù)據(jù)分析,監(jiān)測(cè)用戶自身健康和環(huán)境;提醒用戶達(dá)到有效規(guī)避危險(xiǎn)的效果。 手杖配有壓力傳感器和熱敏電阻,可以隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)老人的心率、血壓等身體指標(biāo)。手杖附有超聲波掃描儀,檢測(cè)身體環(huán)境,分析評(píng)估障礙物的危險(xiǎn)。 (2)跌倒報(bào)警和求助。 手杖監(jiān)測(cè)老年用戶跌倒動(dòng)作,跌倒后立即報(bào)警,通知親屬和最近的醫(yī)療機(jī)構(gòu),手柄有加速度計(jì)和磁傳感器。 前者采集人體三軸加速度數(shù)據(jù),后者采集人體軀干傾斜信息和老年人跌倒情況。 手杖發(fā)現(xiàn)用戶的位置和跌倒信息,可以通過遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備傳輸?shù)竭B接的移動(dòng)設(shè)備[4]。

5 智能化手杖硬件設(shè)計(jì)

多功能智能拐杖主要采用單片機(jī)技術(shù),具有紅外測(cè)距、報(bào)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì),如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(dāng)開關(guān)打開時(shí),音頻信號(hào)電流從振蕩器通過螺線管流動(dòng),產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)和振動(dòng)膜片周期性振動(dòng),相互作用時(shí)發(fā)出聲音。 因?yàn)榉澍Q器需要一定的電流來驅(qū)動(dòng),單片機(jī)I/O 管腳的輸出電流很小,所以單片機(jī)的TTL 輸出電壓基本不能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,于是在蜂鳴器上加了一個(gè)三極管,蜂鳴器的正極接VCC 蜂鳴器的負(fù)極,蜂鳴器的負(fù)極接三極管的發(fā)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(shí),單片三極管Q2 正常關(guān)斷后,線圈無電流流過,蜂鳴器不響。 當(dāng)P3.3 輸出低電平時(shí),三極管導(dǎo)通時(shí),蜂鳴器電流循環(huán)并發(fā)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(yīng)。 人體的體溫恒定在37 ℃左右,所以它通過發(fā)射約10 μm 的紅外光來工作。 紅外感應(yīng)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(yīng)源上。 人體一進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域,人體的紅外線就聚焦在鏡面上,報(bào)警信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后,由熱釋電元件接收。

6 系統(tǒng)軟件功能

智能拐杖軟件主要包括復(fù)位設(shè)置、GPS 定位設(shè)置、在線監(jiān)控、電子圍欄、家庭號(hào)碼設(shè)置、幫助等功能。

根據(jù)個(gè)人情況填寫相應(yīng)的內(nèi)容,確保手杖上安裝的GPS 定位功能已打開,根據(jù)GPS 位置確定手杖的位置。 當(dāng)手杖傾斜時(shí),蜂鳴器響起,硬件電路會(huì)打開報(bào)警。 1 分鐘后,硬件電路電機(jī)自動(dòng)撥打預(yù)設(shè)電話以獲取進(jìn)一步幫助。 用戶也可以在設(shè)置界面使用電子圍欄,超過設(shè)置范圍時(shí)會(huì)顯示報(bào)警提示。

GPS 定位分為在線監(jiān)測(cè)和電子圍欄設(shè)置兩部分。在線監(jiān)控功能可以通過3 種方式找到用戶:地圖、衛(wèi)星和3D。

行程記錄系統(tǒng)主要由攝像頭、移動(dòng)家庭終端和存儲(chǔ)功能組成。 當(dāng)用戶打開設(shè)備時(shí),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(yuǎn)程查看用戶端發(fā)生的事情,還可以通過記憶功能保存重要數(shù)據(jù)。 對(duì)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(tǒng)看用戶所在位置和現(xiàn)場(chǎng)情況,以便更快地找到用戶并將風(fēng)險(xiǎn)降至最低限度。 路線記錄儀可以記錄用戶所發(fā)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(chǎng)調(diào)研

本研究收集淘寶購物平臺(tái)信息,統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品特點(diǎn)及價(jià)格,選擇有代表性的產(chǎn)品進(jìn)一步分析優(yōu)缺點(diǎn)。 經(jīng)調(diào)查,部分調(diào)查者有摔倒的情況,部分調(diào)查者表示該手杖較智能。 安全防護(hù)需求占比最大。 老年人疾病很多,如眼部疾病、耳部疾病等。 設(shè)計(jì)者要考慮老年人的視力和聽力問題。

8 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展,老年智能產(chǎn)品也在不斷更新。 人們對(duì)智能手杖的期待也在發(fā)生變化。 設(shè)計(jì)巧妙的產(chǎn)品能提高老人的幸福感。 智能多功能手杖的新技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)受到眾多老年人和年輕人的青睞。 該設(shè)計(jì)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(chǎng)前景。