智能拐杖方案设计开发

现阶段，我国已经进入老龄化社会，按照国家规定，65周岁以上的人确定为老年，2011年我国老年人口比重达13.7%，2013年我国60岁以上老年人口已突破2亿，预计未来20年我国老年人口将进入快速增长期，到2050年老年人口将达到全国人口的三分之一。老龄化问题不仅给每个家庭带来了困惑，也给予社会极大压力。老年人随着年龄增长，记忆力、视力不断下降，腿脚也越来越不灵活，反应逐渐迟钝等，出行不便，最近几年老人走失情况越来越严重，在网络和微博上经常会看到寻找走失老人的新闻。据调查，65岁以上老人中至少有30%的人曾经摔倒。基于上诉这些问题，本文设计了专门为老年人而设计的智能拐杖。本设计工作的基本原理：(1)利用GPS定位功能随时确定使用者位置；(2)使用者可以调节灯光的远近，方便夜间行走；(3)当使用者摔倒时，报警系统开启报警功能，以便使用者可以得到及时的帮助，同时向监护人发送求救或者拨打相应的电话求救，对老年人出现意外事故时提供切实有效的帮助；(4)通过热释电红外线测量拐杖与使用者之间的距离，提醒使用者及时的使用拐杖或便于使用者寻找。

一、智能拐杖硬件设计

1.1系统功能实现原理

多功能智能拐杖主要利用单片机技术，是一款具有红外线测距、报警、倾斜等多功能的智能收缩拐杖。智能拐杖硬件主要由角度传感器、热释电传感器、蜂鸣器、89S52单片机控制电路组成。

1.2硬件电路设计

（1）SCA60C角度传感器工作原理：本设计以89S52单片机为控制核心，用SCA60C单轴倾角传感器测量拐杖的平衡状态。当拐杖处于平衡状态时，角度传感器SCA60C与水平面成0°，Vout端输出0.5V的模拟电压。当拐杖垂直于地面时，角度传感器SCA60C与水平面成90°，此时Vout输出+5V的模拟电压。传感器SCA60C仅能精确检测到0~90°的范围，在此范围之内，Vout端输出的是正比于倾角大小的+0.5V~+5V的模拟电压信号，因此可以通过测定传感器SCA60C输出端Vout电压的大小即可确定拐杖与水平面的角度。

（2）蜂鸣器驱动原理：电磁式蜂鸣器主要由振荡器、电磁线圈、振动膜片、磁铁及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发出声音。由于蜂鸣器的发声需要一定电流才能驱动它，单片机I/O引脚输出电流较小，因此单片机输出TTL电压基本上驱动不了蜂鸣器，所以通过添加一个三极管来驱动放大蜂鸣器。

（3）人体热释电红外传感器的工作原理：热释电红外传感器都是基于热电效应原理的热电型红外传感器，人体都有37°左右的恒定体温，所以会发出10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光镜增强后聚集到红外感应源上，红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷。一旦人体进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接受，经单片机处理后而产生报警。

二、智能拐杖软件功能

智能拐杖软件部分主要包括：初始化设置、建立GPS定位、在线监控、电子围栏、亲情号设置、求助等功能。

（1）软件框图设计：监护人可以通过web端或手机客户端进入该软件界面，如果是初次使用，首先进行初始化的设置。根据自身情况填写相关的内容，判断安装在拐杖中的GPS定位功能是否开启，如果开启，可以根据GPS定位得知此时拐杖所在的位置，当拐杖歪倒时，硬件电路中的蜂鸣器开启发出报警；当超过1分钟，通过硬件电路电机自动拨通预先设置好的电话，得到进一步求助。也可以在界面中设置电子围栏，当超出所设定的范围，进行报警提示。

（2）呼叫设置：该设置最多可设置4个号码，用户可以根据自己的需求设置号码，SOS按键可设置紧急呼叫。

（3）GPS定位功能：GPS定位分为在线监控和电子围栏设置两部分，在线监控功能可以通过地图、卫星、三维三种方式进行定位。

三、智能拐杖外观的设计

(1)拐杖设计有铝合金伸缩杆，高度可从65cm-98cm进行调节，重量为320g，适合更多人群。用法：用手压下铝合金杆上的按钮，上下移动较细的铝合金低杆，将按钮扣入到较粗铝合金杆对应的孔位中，以满足不同身高人群的使用需求，高度调节好了后，将锁环锁紧固定。

(2)照明、闪光用法：手柄顶部推钮开关操作模式：开关一档，白光LED灯照明；第二挡，白光LED照明+红光LED灯闪光警示；第三档，关。

(3)MP3功能用法：用手指轻按手柄侧面中间MP3控制按钮，MP3即处于工作状态。此时用手指轻按左右按键，即可实现选中音乐。用手指轻按MP3上下音量控制按键，即可调节声音大小，以适合的音量大小进行音乐的收听。

(4)充电用法：将充电一端插入产品DC口，另一端接入标准5V输出USB母座，即可对产品内部充电电池充电。此时充电红色指示灯亮，充满电后指示灯熄灭。

(5)GPS定位、电话、报警功能用法：将拐杖的GPS定位功能开关打开，即可进行定位功能的实现，监护人可以通过web端和手机客户端登录GPS定位平台查看使用者的具体位置。同时可以通过按钮1、2、3进行拨通预先设置好的电话。监护人也可以拨通拐杖内置的电话卡号，通过接通电话进行接听。当拐杖倒了以后，蜂鸣器自动发出报警声音，当人离开拐杖时，蜂鸣器发出滴滴的提示声音。

总结

本设计针对老年人的心理和生理进行研究，设计了这一款具有功能多样化、技术新颖、市场针对性强，通过对样机的测试，主要实现了如下功能：

(1)GPS定位功能，监护人可随时确定使用者的具体位置。监护人可以通过GPS定位界面监控使用者的活动轨迹，实现连续实时定位。(2)监护人可以设置电子围栏，当超出所设定范围时，开启报警功能，必要时呼叫监护人，发出求助信息。(3)当拐杖倾倒，蜂鸣器开启，超过1分钟，将呼叫监护人或SOS求救信号，以便得到及时的帮助。(4)LED照明灯、MP3、伸缩等基本功能。

设计中采用符合人机曲线橡胶把手，在使用时为其提供最大限度的安全舒适。随着社会发展和生活水平提高，关心和改善老年人的生活质量是大势所趋，该设计功能全、重量轻、操作简单、可靠使用、成本低，能满足普通老百姓的购买能力和功能需求，具有广阔市场前景。