老年人多功能智能拐杖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、老年人多功能智能拐杖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*The elderly multi-functional intelligent crutches景婷婷天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院(天津 300073)陸小左 傅琳潔天津中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥工程研究所(天津 300012)摘要：現(xiàn)有市場(chǎng)上老年人使用的拐杖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) 監(jiān)控、及時(shí)求救等功能，由于近年來(lái)老年人摔倒不能得到及時(shí)的幫助和老 年人走失的情況越來(lái)越多，為了保證老年人出行安全，在緊急情況能得到 及時(shí)幫助、便于監(jiān)護(hù)人及時(shí)監(jiān)控和尋找。本文以單片機(jī)89C52為主控件， 設(shè)計(jì)了一款具有GPS定位、呼叫電話、報(bào)警系統(tǒng)、LED照明燈、MP3等功 能的智能拐杖

2、，該設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單、成本較低，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià) 值。本文網(wǎng)絡(luò)版地址： 關(guān)鍵字：智能拐杖；GPS；報(bào)警DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.6.011*基金項(xiàng)目：中醫(yī)四診信息采集與集成研究（ 2012BAI25B05）景婷婷（1986-），女，碩士研究生，研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序。陸小左， 男，教授、博士生導(dǎo)師。的人曾經(jīng)摔倒。基于上訴這些問(wèn)題， 本文設(shè)計(jì)了專門為老年人而設(shè)計(jì)的智 能 拐 杖 。 本 設(shè) 計(jì) 工 作 的 基 本 原 理 ： (1)利用GPS定位功能隨時(shí)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(shí)，報(bào)警

3、系統(tǒng)開啟報(bào)警功能，以便 使用者可以得到及時(shí)的幫助，同時(shí)向 監(jiān)護(hù)人發(fā)送求救或者撥打相應(yīng)的電話 求救，對(duì)老年人出現(xiàn)意外事故時(shí)提供 切實(shí)有效的幫助；(4)通過(guò)熱釋電紅 外線測(cè)量拐杖與使用者之間的距離， 提醒使用者及時(shí)的使用拐杖或便于使用者尋找。1 概述現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社 會(huì)，按照國(guó)家規(guī)定，65周歲以上的人 確定為老年，2011年我國(guó)老年人口比 重達(dá)13.7%，2013年我國(guó)60歲以上老年 人口已突破2億，預(yù)計(jì)未來(lái)20年我國(guó) 老年人口將進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，到2050 年老年人口將達(dá)到全國(guó)人口的三分之 一。老齡化問(wèn)題不僅給每個(gè)家庭帶來(lái) 了困惑，也給予社會(huì)極大壓力。老年 人隨著年齡增長(zhǎng)，記憶力、視力

4、不斷下降，腿腳也越來(lái)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(lái)越嚴(yán)重，在網(wǎng)絡(luò)和微博 上經(jīng)常會(huì)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%2 硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理多 功 能 智 能 拐 杖 主 要 利 用 單 片54圖1 硬件系統(tǒng)組成電路圖圖2 硬件電路圖責(zé)任編輯：葉雷圖4 呼叫設(shè)置界面體都有37°左右的恒定體溫，所以會(huì)發(fā)出10m左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10m左右的紅外線通過(guò)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(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷。一旦人體進(jìn)入探

5、測(cè)區(qū)圖3 智能拐杖的功能框圖域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚機(jī)技術(shù)，是一款具有紅外線測(cè)距、報(bào)電 磁 式 蜂 鳴 器 主 要 由 振 蕩 器 、焦，并被熱釋電元接受，經(jīng)單片機(jī)處警、傾斜等多功能的智能收縮拐杖。電磁線圈、振動(dòng)膜片、磁鐵及外殼等理后而產(chǎn)生報(bào)警。智能拐杖硬件主要由角度傳感器、熱組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音釋電傳感器、蜂鳴器、89S52單片機(jī) 控制電路組成。系統(tǒng)硬件組成示意圖頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線 圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線圈和3 系統(tǒng)軟件功能智 能 拐 杖 軟 件 部 分 主 要 包 括 ：如圖1所示。磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)初始化設(shè)置、建立GPS定位、在線監(jiān)2

6、.2 硬件電路設(shè)計(jì)出聲音。由于蜂鳴器的發(fā)聲需要一定控、電子圍欄、親情號(hào)設(shè)置、求助等2.2.1 SCA60C角度傳感器工作原理電流才能驅(qū)動(dòng)它，單片機(jī)I/O引腳輸功能。本設(shè)計(jì)以89S52單片機(jī)為控制核出電流較小，因此單片機(jī)輸出TTL電3.1 軟件框圖設(shè)計(jì)心，用SCA60C單軸傾角傳感器測(cè)量壓基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，所以通過(guò)智能拐杖的功能框如圖3所示。拐 杖 的 平 衡 狀 態(tài) 。 角 度 傳 感 器 的 連添加一個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)放大蜂鳴器。監(jiān)護(hù)人可以通過(guò)web端或手機(jī)客接如圖2所示，當(dāng)拐杖處于平衡狀態(tài)如圖2所示，蜂鳴器正極接到VCC，蜂戶端進(jìn)入該軟件界面，如果是初次使時(shí)，角度傳感器SCA60C與水平面

7、成鳴器的負(fù)極接到三極管的發(fā)射極E，用，首先進(jìn)行初始化的設(shè)置。0 ° ， Vo u t 端 輸 出 0 . 5 V 的 模 擬 電 壓 ?；?極 B 經(jīng) 過(guò) 限 流 電 阻 R 7 后 由 單 片 機(jī)根據(jù)自身情況填寫相關(guān)的內(nèi)容，當(dāng) 拐 杖 垂 直 于 地 面 時(shí) ， 角 度 傳 感 器的P3.3引腳控制，當(dāng)P3.3輸出高電平判斷安裝在拐杖中的GPS定位功能是SCA60C與水平面成90°，此時(shí)Vout輸時(shí)，三極管Q2截止，此時(shí)沒(méi)有電流流否開啟，如果開啟，可以根據(jù)GPS定出+5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當(dāng)P3.3輸出位得知此時(shí)拐杖所在的位置，當(dāng)拐杖能

8、精確檢測(cè)到090°的范圍，在此范低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器歪倒時(shí)，硬件電路中的蜂鳴器開啟發(fā)圍之內(nèi)，Vout端輸出的是正比于傾角的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，出報(bào)警；當(dāng)超過(guò)1分鐘，通過(guò)硬件電大小的+0.5V+5V的模擬電壓信號(hào)，可以通過(guò)程序控制P3.3引腳的電平來(lái)路電機(jī)自動(dòng)撥通預(yù)先設(shè)置好的電話，因此可以通過(guò)測(cè)定傳感器SCA60C輸控制蜂鳴器的聲音。得到進(jìn)一步求助。也可以在界面中設(shè)出端Vout電壓的大小即可確定拐杖與2.2.3 人體熱釋電紅外傳感器的工作原理置電子圍欄，當(dāng)超出所設(shè)定的范圍，水平面的角度。熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 都 是 基 于 熱進(jìn)行報(bào)警提示。2.2.2蜂鳴

9、器驅(qū)動(dòng)原理電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器，人3.2 呼叫設(shè)置55305830 2015.741圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面該設(shè)置最多可設(shè)置4個(gè)號(hào)碼，用圖6 拐杖整體外觀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)選中音樂(lè)。用手指輕按MP3上下(1)GPS定位功能，監(jiān)護(hù)人可隨時(shí)戶 可 以 根 據(jù) 自 己 的 需 求 設(shè) 置 號(hào) 碼 ，音量控制按鍵，即可調(diào)節(jié)聲音大小，確定使用者的具體位置。監(jiān)護(hù)人可以SOS按鍵可設(shè)置緊急呼叫。呼叫設(shè)置以適合的音量大小進(jìn)行音樂(lè)的收聽。通過(guò)GPS 定位界面監(jiān)控使用者的活動(dòng)界面如圖4所示。(4)充電軌跡，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)定位。3.3 GPS定位功能用法：將充電一端插入產(chǎn)品DC(2)監(jiān)護(hù)人可以設(shè)置電子圍欄，當(dāng)GPS定位分為在

10、線監(jiān)控和電子圍口，另一端接入標(biāo)準(zhǔn)5V輸出USB母超出所設(shè)定范圍時(shí)，開啟報(bào)警功能，欄設(shè)置兩部分，在線監(jiān)控功能可以通座，即可對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部充電電池充電。必要時(shí)呼叫監(jiān)護(hù)人，發(fā)出求助信息。過(guò)地圖、衛(wèi)星、三維三種方式進(jìn)行定此時(shí)充電紅色指示燈亮，充滿電后指(3)當(dāng)拐杖傾倒，蜂鳴器開啟，位。地圖實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖5所示。示燈熄滅。超過(guò)1分鐘，將呼叫監(jiān)護(hù)人或SOS求救(5)GPS定位、電話、報(bào)警功能信號(hào)，以便得到及時(shí)的幫助。4 拐杖外觀的設(shè)計(jì)用法：將拐杖的GPS定位功能開(4)LED照明燈、MP3、伸縮等基(1)拐杖設(shè)計(jì)有鋁合金伸縮桿，關(guān)打開，即可進(jìn)行定位功能的實(shí)現(xiàn)，本功能。高度可從65cm-98cm進(jìn)行調(diào)節(jié)，重量

11、監(jiān)護(hù)人可以通過(guò)web端和手機(jī)客戶端登設(shè)計(jì)中采用符合人機(jī)曲線橡膠把為320g，適合更多人群。錄GPS定位平臺(tái)查看使用者的具體位手，在使用時(shí)為其提供最大限度的安用法：用手壓下鋁合金桿上的按置。同時(shí)可以通過(guò)按鈕1、2、3進(jìn)行撥全舒適。隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平提鈕，上下移動(dòng)較細(xì)的鋁合金低桿，將按通預(yù)先設(shè)置好的電話。監(jiān)護(hù)人也可以高，關(guān)心和改善老年人的生活質(zhì)量是鈕扣入到較粗鋁合金桿對(duì)應(yīng)的孔位中，撥通拐杖內(nèi)置的電話卡號(hào)，通過(guò)接通大勢(shì)所趨，該設(shè)計(jì)功能全、重量輕、以滿足不同身高人群的使用需求，高度電話進(jìn)行接聽。當(dāng)拐杖倒了以后，蜂操作簡(jiǎn)單、可靠使用、成本低，能滿調(diào)節(jié)好了后，將鎖環(huán)鎖緊固定。鳴器自動(dòng)發(fā)出報(bào)警聲音， 當(dāng)

12、人離開拐足 普 通 老 百 姓 的 購(gòu) 買 能 力 和 功 能 需(2)照明、閃光杖時(shí)，蜂鳴器發(fā)出滴滴的提示聲音。求，具有廣闊市場(chǎng)前景。用法：手柄頂部推鈕開關(guān)操作模拐杖的整體外觀設(shè)計(jì)如圖6所示。式：開關(guān)一檔，白光LED燈照明；第參考文獻(xiàn)：1方仁杰, 朱維賓. 基于GPS定位與超聲波導(dǎo)盲拐杖的設(shè)計(jì)J.計(jì)算二擋，白光LED照明+紅光LED燈閃光警示；第三檔，關(guān)。(3)MP3功能56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(shí)用手指輕按左右按鍵，即可5 結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)針對(duì)老年人的心理和生理 進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了這一款具有功能多 樣化、技術(shù)新穎、市場(chǎng)針對(duì)性強(qiáng)，通 過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試，主要實(shí)現(xiàn)了如下功 能：機(jī)測(cè)量與控制, 2011, 19(5): 1154-11572李娜. 基于MCU的智能定位報(bào)警拐杖研究J. 電子設(shè)計(jì)工程, 212, 20(8): 112-1143魏慶麗, 許鵬，李軍，隋宇鵬，方遠(yuǎn)韜。基于MSP430的GPS定 位智能拐杖設(shè)計(jì)J. 2012,30（9）：445-4494楊國(guó)建, 石秀娟, 潘鴻雁, 孟慶鑫，程萬(wàn)鵬.基于SPCE