老年人多功能智能拐杖的设计与实现

摘要：现有市场上老年人使用的拐杖结构简单、功能单一，无法实现实时监控、及时求救等功能，由于近年来老年人摔倒不能得到及时的帮助和老年人走失的情况越来越多，为了保证老年人出行安全，在紧急情况能得到及时帮助、便于监护人及时监控和寻找。本文以单片机89C52为主控件，设计了一款具有GPS定位、呼叫电话、报警系统、LED照明灯、MP3等功能的智能拐杖，该设计操作简单、成本较低，具有较强的实用性和市场价值。

1 概述

　　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。

2 硬件设计

2.1 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。系统硬件组成示意图如图1所示。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 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。角度传感器的连接如图2所示，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。

2.2.2 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。如图2所示，蜂鸣器正极接到VCC，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，基极B经过限流电阻R7后由单片机的P3.3引脚控制，当P3.3输出高电平时，三极管Q2截止，此时没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声，当P3.3输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制P3.3引脚的电平来控制蜂鸣器的声音。

2.2.3 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。

3 系统软件功能

　　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。

3.1 软件框图设计

　　智能拐杖的功能框如图3所示。

　　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。