老年人多功能智能拐杖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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，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。

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%的人曾經(jīng)摔倒?；谏显V這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)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)警系統(tǒng)開(kāi)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。

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機(jī)技術(shù)，是一款具有紅外線測(cè)距、報(bào)警、傾斜等多功能的智能收縮拐杖。智能拐杖硬件主要由角度傳感器、熱釋電傳感器、蜂鳴器、89S52單片機(jī)控制電路組成。系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖1所示。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 SCA60C角度傳感器工作原理

　　本設(shè)計(jì)以89S52單片機(jī)為控制核心，用SCA60C單軸傾角傳感器測(cè)量拐杖的平衡狀態(tài)。角度傳感器的連接如圖2所示，當(dāng)拐杖處于平衡狀態(tài)時(shí)，角度傳感器SCA60C與水平面成0°，Vout端輸出0.5V的模擬電壓。當(dāng)拐杖垂直于地面時(shí)，角度傳感器SCA60C與水平面成90°，此時(shí)Vout輸出+5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅能精確檢測(cè)到0~90°的范圍，在此范圍之內(nèi)，Vout端輸出的是正比于傾角大小的+0.5V~+5V的模擬電壓信號(hào)，因此可以通過(guò)測(cè)定傳感器SCA60C輸出端Vout電壓的大小即可確定拐杖與水平面的角度。

2.2.2 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)原理

　　電磁式蜂鳴器主要由振蕩器、電磁線圈、振動(dòng)膜片、磁鐵及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)出聲音。由于蜂鳴器的發(fā)聲需要一定電流才能驅(qū)動(dòng)它，單片機(jī)I/O引腳輸出電流較小，因此單片機(jī)輸出TTL電壓基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，所以通過(guò)添加一個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)放大蜂鳴器。如圖2所示，蜂鳴器正極接到VCC，蜂鳴器的負(fù)極接到三極管的發(fā)射極E，基極B經(jīng)過(guò)限流電阻R7后由單片機(jī)的P3.3引腳控制，當(dāng)P3.3輸出高電平時(shí)，三極管Q2截止，此時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲，當(dāng)P3.3輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，可以通過(guò)程序控制P3.3引腳的電平來(lái)控制蜂鳴器的聲音。

2.2.3 人體熱釋電紅外傳感器的工作原理

　　熱釋電紅外傳感器都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器，人體都有37°左右的恒定體溫，所以會(huì)發(fā)出10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm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)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接受，經(jīng)單片機(jī)處理后而產(chǎn)生報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件功能

　　智能拐杖軟件部分主要包括：初始化設(shè)置、建立GPS定位、在線監(jiān)控、電子圍欄、親情號(hào)設(shè)置、求助等功能。

3.1 軟件框圖設(shè)計(jì)

　　智能拐杖的功能框如圖3所示。

　　監(jiān)護(hù)人可以通過(guò)web端或手機(jī)客戶端進(jìn)入該軟件界面，如果是初次使用，首先進(jìn)行初始化的設(shè)置。

　　根據(jù)自身情況填寫(xiě)相關(guān)的內(nèi)容，判斷安裝在拐杖中的GPS定位功能是否開(kāi)啟，如果開(kāi)啟，可以根據(jù)GPS定位得知此時(shí)拐杖所在的位置，當(dāng)拐杖歪倒時(shí)，硬件電路中的蜂鳴器開(kāi)啟發(fā)出報(bào)警;當(dāng)超過(guò)1分鐘，通過(guò)硬件電路電機(jī)自動(dòng)撥通預(yù)先設(shè)置好的電話，得到進(jìn)一步求助。也可以在界面中設(shè)置電子圍欄，當(dāng)超出所設(shè)定的范圍，進(jìn)行報(bào)警提示。