分段式智能拐杖的研究與設計

于天嬌，常玲，胡高山

（沈陽城市建設學院信息與控制工程系,遼寧沈陽,110000）

0　引言

隨著社會和經濟的發展，我國在新的歷史條件下，人口老齡化日益加深，老齡社會問題凸現。而老年人儼然成為我們首要關注的社會群體。

“樹老根先枯，人老腳先衰”。關注老年人的健康，首先就要關注老年人的行走問題。因此，一根合適的拐杖，對老年人的日常生活很有必要。現有的普通老人拐杖只能給老年人提供單純的行走支撐作用，在老年人發生意外時，不能夠及時的通知周圍以及相關的人士，因而也很難讓老年人在發生意外時能夠得到快速有效的救助。這樣的拐杖在注重對人的一種人性關懷和對產品的使用感受時似乎顯得有點不足。

本次設計將以健康管理、倒地報警、自動照明、雨天預警、障礙物智能探測和自動充電等功能模塊為主要目標而進行研究與設計該技術具有易于實現，功能可定制，成本可控等特點，對 “智能拐杖”實現困難是一個突破。

1　設計方案

本方案設計基于Arduino的分段式智能拐杖的設計與研究，主要分為三大步驟。

第一步，硬件平臺的設計。硬件部分以Arduino芯片為核心，設計外圍電路。硬件平臺的建立是系統最關鍵的問題，先設計系統電路圖，并通過仿真軟件進行仿真，仿真通過后進行硬件的連接。第二步，相關程序的編寫。寫出相關程序，并調試。軟件設計包括對變量的定義、I/O口的設置、子程序的調用和總程序流程等相關問題。第三步，將程序燒寫到Arduino芯片中。

2　系統組成及功能

本項目以“模塊化”為設計思路，采用Arduino Uno芯片作為核心板，通過把不同的功能模塊嵌入到拐杖的不同“節”當中，每一個“節”都有不同的功能，使用者可以更具自身的實際需求對不同的“節”進行組裝，“節”與“節”之間采用貼片式接觸方法進行連接，從而來實現對拐杖特定功能的量身定制。

圖1　原理圖

Arduino，作為核心板，是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。超聲波傳感器，采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術，檢測傳感器與目標物之間的距離，采用小角度，小盲區超聲波傳感器，具有測量準確，無接觸，防水，防腐蝕， 低成本等優點，在本項目中作為探測前進方向障礙物核心檢測元件。MPU6050為集成了多個傳感器模塊，其中包括陀螺儀、磁力傳感器、加速度傳感器等多種傳感器模塊，在本項目中主要用于計步功能，其它功能將進行后續開發。心率檢測模塊將對使用者的心率情況進行采集。感光傳感器與溫濕度傳感器將對環境光照情況和溫濕度情況進行采集。LED燈、蜂鳴器和LCD顯示屏為顯示機構，經過Arduino傳來的信息進行表達。存儲器單元將對使用者的心率、步數等情況進行記錄。顯示屏對使用者的心率、步數等情況進行顯示。電源部分對整個系統用電元件進行供電。

3　設計特點

本項目在拐杖中采用模塊化可拼接技術，每一個模塊都有其特定的功能，使用者可以根據自己的實際使用需求，自主選擇特定模塊進行連接，從而來實現對拐杖功能的發揮。具體研究內容如下：計步器的工作原理，步數、里程與熱量之間關系，及如何消除非步行所引起的計數錯誤；各種心率感應器工作原理優缺點對比，選擇合適的感應器；使用者意外倒地時，報警自動開關的設計與實現問題；設計自動照明時，對人眼對光環境的生理需求與心理需求，包括亮度、光色等；溫濕度傳感器工作原理；超聲波傳感器工作原理；機械能與電能轉化裝置、工作原理及電能儲能相關問題；Arduino核心板的學習。

4　結語

本作品屬于電子設備高端產品,技術新穎,功能多樣化、市場針對性強,制造簡單,具有傳統單一功能產品無法比擬的優勢。此外，其他的設計亮點也是圍繞著人性化為中心開展的創新，力求增加老年人的親切感與歸屬感，讓其在使用過程中更加安全、舒適和實用。設計的分段式智能拐杖不同“節”中嵌入不同模塊，可以分別完成與之對應的不同功能，用戶可以根據自己的實際需要情況進行量身定制，這樣不僅可以讓拐杖更加個性化，完成使用者的各種需要，同時可以在一定程度上降低使用者的購買成本。