淺析智能安全手杖的設(shè)計(jì)

韓雨杭 劉莉

摘要：在當(dāng)今人口老齡化社會(huì)中，為了有效提高老年人出行的安全，必須設(shè)計(jì)一款科學(xué)智能的手杖，協(xié)助老年人外出。在市場上，適合老年人和盲人等殘障人群出門且具備安全需求的智能手杖仍然比較缺乏。因此，為了防止老年人摔倒受傷，盲人進(jìn)入飯店和公共汽車等公共場所屢屢受阻的現(xiàn)象再次發(fā)生，本文將從安全防范和救援兩個(gè)方面對智能手杖的設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行研究和探討。

關(guān)鍵詞：人口老齡化、及時(shí)救援、紅外測距、實(shí)景導(dǎo)航

一、研究背景

在今天的全球人口老齡化社會(huì)中，老年人面臨著許多問題，如記憶力衰減、神智失常、容易摔倒受傷等嚴(yán)重威脅到老年人的生理健康安全和心里健康，子女的負(fù)擔(dān)也在逐漸增加。此外，在目前的殘疾人中，盲人的行動(dòng)一直是個(gè)問題，在盲人的道路上，沒有放置歸位的井蓋、停放的各種車輛、損壞的或者缺少的石板等問題始終威脅著盲人的移動(dòng)安全和生命安全。同時(shí)在智能化的今天，幾乎一切的日用品都在走向信息化、集成化、智能化，只依托于幫助出行的普通拐杖并不能完全滿足現(xiàn)在以及將來的老年人和殘疾人的需求，拐杖必須向簡易化、多功能化、智能化發(fā)展。

二、主要功能

經(jīng)過對老年人和盲人的心理、生理的深度測量，我們發(fā)現(xiàn)如需滿足他們的身心健康需求以及精神需求，可以通過云平臺移動(dòng)數(shù)據(jù)終端技術(shù)與智能控制系統(tǒng)，在確保產(chǎn)品的使用性能和必要功能齊備的條件下，創(chuàng)作出一款可伸縮調(diào)節(jié)長度、防摔危險(xiǎn)監(jiān)測、3D實(shí)景導(dǎo)航指南、紅外距離檢測、LED照明、GPS定位精確化、活動(dòng)圍欄設(shè)定區(qū)域化、道路條件監(jiān)控實(shí)時(shí)化、手機(jī)手杖集成化、身體健康參數(shù)檢測日?；爸悄芊治?、歷史運(yùn)動(dòng)跟蹤查詢、智能終端數(shù)據(jù)應(yīng)用等多功能集成一體化的智能手杖。有利于減輕子女及社會(huì)和政府的負(fù)擔(dān)，為老年人和殘障人士提供生活中的便利條件，實(shí)時(shí)確保老年人和殘障人士的生命健康安全，即使發(fā)出警報(bào)以增加搶救時(shí)間，提高救治效率。

該手杖主要以實(shí)時(shí)定位和發(fā)送救援信號為主，道路狀況檢測、3D實(shí)景導(dǎo)航指引、紅外距離感應(yīng)、語音提示為輔。如果是腿腳不便的老年人，兒女可以使用手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看老人的具體位置和基本圣體健康狀況，老人也可以在有緊急情況的時(shí)候按下手杖上的緊急求救按鈕向與手杖綁定的手機(jī)發(fā)送信號一遍子女及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如若手杖檢測到自身激素摔倒且長時(shí)間沒有被人拿起，也將會(huì)以上述方式向子女發(fā)送警報(bào)信號。

如果是殘障盲人出行時(shí)，可以一鍵啟動(dòng)3D實(shí)景導(dǎo)航指引功能，通過實(shí)景指引與紅外距離感應(yīng)，全程指引使用者如何躲避障礙、如何行進(jìn)前往目標(biāo)點(diǎn)。如果摔倒手杖也會(huì)與上述功能一樣發(fā)出警報(bào)和通知家人。

“智能安全手杖”將會(huì)通過后臺系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集使用者血壓、心率、血樣飽和度等人體基本參數(shù)，通過大數(shù)據(jù)整理分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)威脅危害身心健康的因素，并實(shí)時(shí)通知到與手杖綁定的app上。并且會(huì)將使用者的身體指標(biāo)數(shù)據(jù)記錄并整理，形成“有價(jià)值的數(shù)據(jù)“，便可向第三方提供整理好的信息，推進(jìn)了”智慧醫(yī)療“快速發(fā)展。

三、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.方便攜帶

智能手仗基于普通手杖增加了各種嵌入式傳感器。它的尺寸和重量與一般的手杖類似，因此使用者可以像攜帶普通手杖一樣方便，沒有任何額外的負(fù)擔(dān)。2.易用性

在本設(shè)計(jì)中，所有的手杖傳感器都由單片機(jī)自動(dòng)控制，無需用戶進(jìn)行任何設(shè)置。你可以打開開關(guān)來使用它。求助時(shí)，可直接按求救按鈕向家人發(fā)出求救信號。外出使用導(dǎo)航指南時(shí)，只需按下導(dǎo)航按鈕，使用語音和導(dǎo)航通信即可安全出行。

3.功能多樣

與市場上現(xiàn)有的智能手杖相比，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)不僅兼顧了可伸縮調(diào)節(jié)長度、防摔危險(xiǎn)監(jiān)測、LED照明、GPS定位精確化等功能。還利用強(qiáng)大的監(jiān)控技術(shù)實(shí)時(shí)檢測和感知路況，引導(dǎo)和幫助老年人或盲人出行。并通過互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)支撐體系和數(shù)據(jù)平臺以及移動(dòng)智能終端，對老年人的身體參數(shù)基本指標(biāo)、活動(dòng)軌跡、活動(dòng)圍欄設(shè)置等進(jìn)行查詢。通過后臺系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集使用者血壓、心率、血樣飽和度等人體基本參數(shù)和移動(dòng)軌跡，再經(jīng)后臺發(fā)送到與該手杖綁定的手機(jī)app上，即使同時(shí)兒女和醫(yī)護(hù)人員隨時(shí)隨地都可關(guān)注老人的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

四、設(shè)計(jì)技術(shù)

1.智能控制

智能控制部分分為五個(gè)部分：GPRS信息發(fā)射系統(tǒng)、信息監(jiān)測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信息采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和移動(dòng)終端APP。

2.理論概括

項(xiàng)目研發(fā)依據(jù)人工智能理論，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

設(shè)備研制依據(jù)無線通信理論，嵌入式開發(fā)技術(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)生物信息理論，人體工程學(xué)技術(shù)。

真正實(shí)現(xiàn)寄檢測于無創(chuàng)、集監(jiān)控于無形、存信息于云端。掘規(guī)律于數(shù)據(jù)，養(yǎng)長壽于老年，遺大愛于人間。

3.硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的采用stm32f103vet6模塊，還有ATK-NEO-6MGPS模塊、SIM900AGSM模塊、GP2Y0A02YK距離紅外檢測模塊和MPU6050陀螺儀模塊。

4. 軟件設(shè)計(jì)

（1）GPS模塊

使用串行端口讀取GPS數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、移動(dòng)速度等在內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)接收端接收到的數(shù)據(jù)過于繁雜，則會(huì)影響易用性。于是，我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，用戶生成的數(shù)據(jù)只有緯度和經(jīng)度信息，以此達(dá)到我們需要的實(shí)時(shí)定位并進(jìn)行照看的目的。

（2）紅外檢測模塊

本模塊化方案主要用于障礙物判斷，紅外傳感器通過發(fā)射端發(fā)出紅外信號，信號照射到障礙物并反射給接收端，接收端接收信號并傳給計(jì)算系統(tǒng)，通過計(jì)算紅外線發(fā)出到接收到的時(shí)間和傳播速度計(jì)算出距離。

五、市場分析

1.分析背景

20世紀(jì)80年代，我國對視力殘疾人做了調(diào)查。結(jié)果顯示，中國有1300多萬視力殘疾患者，其中約550萬為盲人，約750萬為低視力者。14歲以下兒童失明和低視力的主要疾病是先天性遺傳性眼病，常見的先天性眼病有先天性小眼球、先天性視網(wǎng)膜脫離、先天性夜盲和先天性白內(nèi)障等。造成老年人失明或視力低下的主要原因有白內(nèi)障、老年黃斑變行和青光眼。

我國每年新增盲人數(shù)約45萬人，低視力者135萬人，即約1分鐘1名盲人、3名低視力患者。我國是全球盲人數(shù)最多的國家，國家政府也對盲人倍加關(guān)注。其實(shí)，國人對殘疾盲人的不理解和相關(guān)知識的宣傳不夠等多種因素，各大城市建設(shè)的盲人道并沒有給盲人帶來幫助，反而有一些不該出現(xiàn)的東西擋住了盲人道。

2.市場產(chǎn)能

根據(jù)我國的相關(guān)數(shù)據(jù)，截至2015年底，中國60歲以上人口總數(shù)已超過兩億，其中近百分之五十是空巢老人，還有許多患心腦血管疾病和糖尿病的。治療這些疾病所需的醫(yī)療費(fèi)用很高且要要不斷吃藥以及目前獨(dú)生子女?dāng)?shù)量很多，這些中老年群體將形成巨大的市場。按照現(xiàn)今老齡化社會(huì)的增長的趨勢，安全手杖將有很好的市場。

3.優(yōu)化方向

內(nèi)置可穿戴設(shè)備的功能增加了生命體征檢測。當(dāng)手杖離開用戶時(shí)，不同的情況將提供不同的響應(yīng)。實(shí)時(shí)采集使用者的基本健康數(shù)據(jù)，達(dá)到早期報(bào)警的目的。現(xiàn)缺少關(guān)鍵技術(shù)使多功能集于一體，使手杖能夠更容易攜帶且功能更多。要加強(qiáng)與人之間的交互關(guān)系，讓老年人更容易操作。

六、結(jié)語

中國以及世界許多國家人口老齡化嚴(yán)重，殘疾人的數(shù)量也在增加。我們需要提高老年人和殘疾人士的日常生活質(zhì)量。而我們的智能安全手杖就達(dá)到了這樣的目的，為他們解決了各種各樣的出行問題。讓老年人出行更方便，讓盲人不再困難，讓子女更加安心。

現(xiàn)如今，研究智能手杖的人也越來越多，因此可以看出這是一個(gè)非常有前景的設(shè)計(jì)。雖然仍有許多技術(shù)瓶頸難題影響著成品的生產(chǎn)，但智能安全手杖的研究與發(fā)展是一種未來必要的趨向。

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作者簡介：韓雨杭，男，山東協(xié)和學(xué)院，網(wǎng)絡(luò)工程19-01班學(xué)生。

劉莉，女，山東協(xié)和學(xué)院，副教授。

依托項(xiàng)目：2021年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目《醫(yī)養(yǎng)結(jié)合智能安全手杖》，項(xiàng)目編號：202113324239。