智能便攜手杖的設(shè)計研究

程君霞 許可 程瑛璠 牛妞 王潔 姜雪

一、前言

隨著高科技的發(fā)展，智能手杖興起，現(xiàn)如今基于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器的高科技，手杖對于老人、孕婦以及各類特殊人群提供了非常有力的幫助。與此同時，隨著嵌入式的迅速發(fā)展，智能設(shè)備已經(jīng)普遍進入到百姓萬家的生活當(dāng)中，很多人的身邊并不缺少智能化設(shè)備。然而，針對某些特殊人群的智能化技術(shù)產(chǎn)品確是少之又少。在這交通與生活狀況日趨復(fù)雜多變的環(huán)境，手杖不僅需要提供支撐作用，還需要定位系統(tǒng)、自動報警等功能。而老人及作為社會上為數(shù)不少的一個群體，更應(yīng)該引起大家的關(guān)注。而對于另一種特殊人群——孕婦而言，新聞中常有報道她們在公共場合時物品掉落，由于身體原因無法彎腰將其拾起，必須求助于旁人，孕婦出行，總有不便。因此，出于功能要齊全以及輕便的考慮，此產(chǎn)品將一些具有特殊功能的工具“集成”在手杖上。

二、智能便攜手杖的總體設(shè)計方案

（一）材料應(yīng)用

我們選用碳纖維作為新型多功能拐杖的主要材料。碳纖維復(fù)合材料具有很多優(yōu)異性能，如它的質(zhì)量很輕、強度高、剛度高，具有優(yōu)良的減振性，耐疲勞和耐腐蝕等性能。用于拐杖設(shè)計中，可以減少特殊人群的負擔(dān)，減震性更助于老人行走;碳纖維復(fù)合材料還具有回收性能，有利于減少資源的浪費。拐杖底部采用橡膠腳套。橡膠是一種具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在室溫狀態(tài)下具有彈性，在較小的外力作用下便能發(fā)生較大的形變，去除外力作用后又能恢復(fù)原來的形狀。產(chǎn)品采用金屬伸縮桿，既結(jié)實又輕便;頂端的塑料握夾可以幫助行動不便的特殊人群拾起掉落的物品，增強了實用效果。

（二）外觀設(shè)計

本產(chǎn)品有伸縮性，不使用時可收縮成迷你雨傘大小的圓柱體，外觀美麗攜帶方便，符合大眾審美。色彩方面可供顧客選擇自己喜歡的顏色和圖案設(shè)計，無特殊要求則產(chǎn)品默認(rèn)為簡潔大方的純白色。產(chǎn)品的色彩設(shè)計與造型設(shè)計息息相關(guān)，它吸引著消費者的眼球，靚麗富有親和力的色彩對造型設(shè)計又十分具有感染力。

（三）功能設(shè)置

1.頂部是收縮式拾物夾，收縮時為手握式拱形。

2.杖身設(shè)有聲報警器，在使用者需要幫助時傳出呼救信號。

3. 底部裝有虹膜式光圈技術(shù)的防滑摩擦橡膠，靠近底端處設(shè)有三個上下收縮式穩(wěn)定型三角滑輪，在步行不便的時候可將滑輪推出，方便步行。

4.內(nèi)部設(shè)有GPS定位系統(tǒng)，可將使用者當(dāng)前位置信息發(fā)送至后臺（親人手機內(nèi)），確保使用者的安全，并根據(jù)定位系統(tǒng)向聯(lián)系人提供使用者位置路線。

5.手杖可連接藍牙，連接到手機后按下按鈕即可自動撥打綁定用戶的緊急聯(lián)系人。

6.杖頂?shù)氖治帐绞拔飱A中心設(shè)有USB接口，可進行USB充電。

三、智能便攜手杖的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計和引入

本產(chǎn)品內(nèi)部的首要設(shè)計模塊是通過手機端來達到控制網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的效果，同時采用了傳感器和嵌入式等涉及物聯(lián)網(wǎng)的多種技術(shù)來達到不同類型的模塊之間的控制及轉(zhuǎn)換，對日常出行的人群進行實時的路線監(jiān)測，從而保障用戶的自身安全。內(nèi)設(shè)有傳感網(wǎng)絡(luò)層，其中包含了模擬量傳感器，所以所有的通訊數(shù)據(jù)都需要進行傳送前的信息化處理。

（一）聲報警器系統(tǒng)

聲報警器多用于危險場所時危險的發(fā)生，通過聲音向周圍人群發(fā)出警告和求救的信號。它的主要原理是利用了經(jīng)低頻功率放大的音頻小信號轉(zhuǎn)化為聲能，即實現(xiàn)了電子能和聲能的轉(zhuǎn)換。

（二）GPS定位

GPS模塊通過與單片機相連可發(fā)送坐標(biāo)位置信息，提供定位服務(wù)。指定接收人的手機會收到個人GPS定位報警系統(tǒng)發(fā)送的短信消息，單片機根據(jù)發(fā)送短信的特定步驟，具體是短信息主要基于GMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的SIM短信息服務(wù)之上在移動終端間傳送。GPS本質(zhì)就是利用GPS定位衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)進行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。GPS由美國國防部研制建立;它是一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全方位、天候、時段、以及高精度的特點，它實現(xiàn)了為全球用戶提供高精度、低成本的精確定時、三維位置和速度等的導(dǎo)航信息的目的，是應(yīng)用于導(dǎo)航領(lǐng)域中的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)典范，它有力推動了數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展，并且極大提高了信息化水平。具備監(jiān)控平臺、傳輸網(wǎng)絡(luò)以及GPS終端，這三個要素便可以提供了行駛路徑的監(jiān)控、對用戶的定位、防盜和呼叫指揮的效果。

（三）藍牙接口

藍牙技術(shù)使用方便、可靠性高，低成本并且低功耗，這種短程無線數(shù)據(jù)與語言通信技術(shù)主要用于通信。就目前而言，藍牙技術(shù)包含了識別技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，是這些與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用融合集成，使得小型網(wǎng)絡(luò)在智能家居中很適合。當(dāng)今社會愈來愈趨向于信息化，信息的快速交流和傳遞占有重要地位，而藍牙先天便捷快速的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有了質(zhì)的升級。就本產(chǎn)品而言，采用了藍牙無線技術(shù)，使其能夠在移動電話、PDA無線耳機等等相關(guān)的外設(shè)間進行無線信息交流，能夠簡化特殊人群的移動通訊設(shè)備，同時與GPS定位和聲報警器聯(lián)系起來，更加方便保障自身安全。

（四）USB端口

采用了USB端口進行充電補能，使得本產(chǎn)品更加方便、便攜。該USB端口符合大眾IO接口的連接，對產(chǎn)品進行快速充電提供電量以支持高GPS定位系統(tǒng)、聲報警器系統(tǒng)和藍牙系統(tǒng)等技術(shù)的正常運行，同時本產(chǎn)品耗電量較少，可采用移動充電寶等方式進行充電。

（五）系統(tǒng)微處理器

微處理器由一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器，它作為智能手杖的核心組成部分，不僅要及時完成與各個傳感器和邏輯部件之間的信息交換，而且還要迅速進行內(nèi)部間的數(shù)據(jù)處理、分析以及運算。此外，如若遇到老人跌倒等突發(fā)異常情況，處理器會把信息通過3G傳給位置管理系統(tǒng)及時告知其家人，進行實時安全檢測。為了大大提高通信接口以及數(shù)據(jù)處理的速率，采用了高性能的LPC2124芯片——一個提供仿真系統(tǒng)和跟蹤功能的低功耗微高性能控制器，并將高速Flash存儲器植入了控制器內(nèi)部。

四、結(jié)語

在這款專為特殊人群設(shè)計的智能便攜手杖中，運用了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識（傳感網(wǎng)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信）進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計與改造，設(shè)計了一款集多功能于一體的的便攜手杖，它擺脫了大眾化手杖的思想，利用新型科技提供更為方便與安全的功能技術(shù);其中與智能設(shè)備相連接，更加便捷，一鍵式呼救、一鍵式伸縮以及GPS定位系統(tǒng)等等。都大大增加了出行的安全可靠性。而在此設(shè)計中，同時考慮到在某些特殊場合的不便，于是增加了可伸縮的功能，三段式縮，設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單，在不用時收縮即可收納起來，不占用過多空間，為出行人群提供便攜。

這款智能便攜手杖功能齊全，很多地方仍在調(diào)試中不斷改進，爭取做到高功效、低成本。同時在這個智能化的時代，隨著高科技發(fā)展，智能設(shè)備普遍進入到人們的生活，很多人的身邊并不缺少智能化設(shè)備。然而，針對某些特殊人群（如老年人、孕婦）而言卻寥寥無幾。對于年老的人以及生活不便的人群而言，并沒有太大的優(yōu)勢，他們學(xué)習(xí)能力落后，思想難以跟進，因此希望此研究能為特殊人群的出行帶來便攜，在生活中可以得以應(yīng)用，重在呼吁社會對老、弱群體的關(guān)注與重視。（作者單位：蚌埠學(xué)院計算機工程學(xué)院）