基于空間定位的多功能老年人智能鞋

山西省運城中學(xué) 梁競文

山西省運城市康杰中學(xué) 王 哲

1 引言

目前，老年人在我國人口總量中所占的比重正在逐年的增加[1]。而隨著城市建設(shè)力度的不斷加大，在現(xiàn)實生活中，由于道路不熟、記憶力差等原因?qū)е碌睦夏耆顺鲂凶呤У那闆r時有發(fā)生，逐漸成為威脅老年人出行的重要因素之一[2,3]。因此，對于老年人出行的安全問題逐漸引起了全社會廣泛的關(guān)注[4]。

為了使得老年人的出行更為安全，通常是通過攜帶手機等通信工具來獲取老年人的出行狀態(tài)。這在一定程度上能夠提高出行的安全性[5]。但是，手機等通信工具會為老年人的出行帶來不便，同時忘記帶手機或者無法有效使用較為先進(jìn)的智能手機的情況的發(fā)生，也為出行的安全帶來潛在隱患[6]。為此，本文設(shè)計了一種基于空間定位的多功能智能鞋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過智能鞋中GPS北斗雙模定位模塊采集老人的出行信息，通過GPRS模塊發(fā)送手機短信實時發(fā)送老年人的實時位置。同時，利用鞋內(nèi)溫濕度的智能調(diào)控來提高老年人出行的舒適性。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計

2 智能鞋組成與工作原理

智能鞋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括STM32主控模塊、GPRS模塊、溫濕度檢測模塊、以及GPS北斗雙模定位模塊等。該系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STM32作為控制核心。其工作原理是在出行過程中，通過安裝于鞋子底部的GPS模塊得到實時位置信息，利用GPRS模塊將位置信息以短信的形式發(fā)送到手機。利用鞋底中部安裝的溫濕度傳感器來獲取鞋內(nèi)的溫濕度狀態(tài)，通過加熱片和風(fēng)扇來調(diào)整鞋內(nèi)的溫濕度，當(dāng)溫濕度低于設(shè)定值時，微處理器通過風(fēng)扇和加熱片的開關(guān)，使得穿著更為舒適。

3 主要模塊設(shè)計

3.1 GPS北斗雙模定位模塊

考慮到智能鞋的空間不大，本文采用小尺寸的高性能的GPS北斗雙模定位模塊ATGM336H，如圖2(a)所示。該模塊定位精確度高，觀測時間短，測站間無須通視，可提供三維坐標(biāo)，操作簡便，全天候作業(yè)。其基本工作原理是由地面主控站收集各監(jiān)測站的觀測資料和氣象信息，計算各衛(wèi)星的星歷表及衛(wèi)星鐘改數(shù)，按規(guī)定的格式編輯導(dǎo)航電文，通過地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。GPS自身將所測信息整合，通過串口發(fā)送至主控模塊，主控模塊解析串口所發(fā)數(shù)據(jù)，獲得智能鞋所在的位置。與STM32的接口電路如圖2(b)所示。

圖2 GPS北斗雙模定位模塊

3.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。溫度測量范圍：0～50℃，測量精度：±1～2℃；相對濕度測量范圍：20%RH～90%RH，測量精度：±4 %RH～±5%RH。能夠有效地保證測量精度且具有較好的穩(wěn)定性。采用的是4針單排引腳封裝，體積小，功耗低，應(yīng)用在鞋底作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器完全滿足性能要求。溫濕度控制部分原理圖如圖3所示。其中，HOT端連接電熱片，MOTOR端連接風(fēng)扇。在檢測到鞋內(nèi)溫濕度信息，通過與設(shè)定值的比較，采用PID控制方式調(diào)控鞋內(nèi)溫度。

圖3 溫濕度檢測模塊電路圖

3.3 GPRS模塊

GSM通信模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵模x用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊SIM900A安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短消息服務(wù)。SIM900A模塊通過串口與微處理器進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)對SIM900A模塊的控制。其電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 GPRS模塊接口設(shè)計

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文所設(shè)計的智能鞋系統(tǒng)以STM32f103c8t6單片機作為主控制器，采用PID算法進(jìn)行鞋內(nèi)溫度控制。智能鞋通電開啟后，控制程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，溫濕度傳感器開始采集鞋子內(nèi)部的溫濕度信息，然后判斷溫度是否在設(shè)定的正常范圍內(nèi)，如果所檢測溫度低于設(shè)定值，就給電熱片供電加熱，如果所檢測溫度高于預(yù)設(shè)值，打開風(fēng)扇給鞋子內(nèi)腔輔助排熱。具體流程如圖5所示。

為了提高老年人出行穿著的舒適性，防止老年人走失，結(jié)合現(xiàn)有老年人安全出行存在的問題，本文提出一種基于空間定位的多功能老年人智能鞋。通過將GPS北斗雙模定位模塊嵌入智能鞋底部，實時獲取老年人的精準(zhǔn)位置信息，并通過發(fā)送短信的形式告知家屬，在一定程度上保證了老年人的出行安全。同時將溫濕度傳感器安置于鞋內(nèi)部，提高其出行的舒適性。該設(shè)計將為老年出行安全提供一定的幫助，具有一定的實用價值和社會價值。

圖5 系統(tǒng)流程圖

[1]張宜.社會支持視角下老年人養(yǎng)老方式的問題研究[D].中央民族大學(xué),2016.

[2]李雅紅,魏卿,張文浩.基于Android的多功能老人智能鞋系統(tǒng)[J].智能計算機與應(yīng)用,2017,7(3):162-165.

[3]安心.老年人走失家人要防患于未然[J].中國老年,2013(7):33-34.

[4]黃自鑫.基于人體動作識別的可穿戴老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].武漢紡織大學(xué),2016.

[5]夏曉敬,關(guān)宏志.北京市老年人出行調(diào)查與分析[J].城市交通,2013(5):44-52.

[6]田曉劍.為防范老人外出走失支招[J].鄉(xiāng)鎮(zhèn)論壇,2016(23):32-32.