基于C51單片機(jī)的智能鞋的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉春澍　王英強(qiáng)　張文浩　葛鵬輝　趙文　馬祺東

摘要：近年來，兒童或老年癡呆患者走丟的新聞屢見不鮮。兒童因?yàn)槟挲g小，天性好動(dòng)好奇心強(qiáng)烈，容易被事物吸引，在與家長(zhǎng)同行時(shí)沒有跟隨家長(zhǎng)。再加上家長(zhǎng)疏于看護(hù)，就容易發(fā)生兒童走丟事件。而患有老年癡呆的患者，在發(fā)病時(shí)自身沒有意識(shí)，無法控制自身行為，容易發(fā)生走丟。又因?yàn)槔夏臧V呆發(fā)病時(shí)沒有明顯的癥狀，不像小孩走丟時(shí)哭鬧會(huì)引人注意，所以在搜尋老人時(shí)會(huì)因?yàn)闆]有線索而增加搜索難度和時(shí)間。走路邁八字步，低頭含胸，腳掌拖地是現(xiàn)在很多人的走路習(xí)慣。長(zhǎng)期使用這些不標(biāo)準(zhǔn)的姿勢(shì)走路，會(huì)引起身體關(guān)節(jié)的疼痛，下肢肌肉的過度緊張，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)很多身體關(guān)節(jié)疾病，同時(shí)也會(huì)影響個(gè)人的形象氣質(zhì)。所以，我們決定開發(fā)一種智能鞋。

關(guān)鍵詞：防走丟;健康;智能鞋;解決方案

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）09-0246-02

1 引言

當(dāng)今社會(huì)生活節(jié)奏快工作繁重，成年人沒有太多時(shí)間與精力去看護(hù)家中的小孩和患病老人，再加上老人和小孩沒有較強(qiáng)的自理能力，使得他們很容易發(fā)生危險(xiǎn)。同時(shí)現(xiàn)在的人們不太注意身體健康，因行走姿勢(shì)不標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致的各種身體不適，肌肉緊張和關(guān)節(jié)疼痛，這些問題極大的影響的人們的生活質(zhì)量。隨著互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，而鞋類又是現(xiàn)代生活的日常穿著用品，所以針對(duì)這兩個(gè)問題提出了一條防走丟“智能鞋”的解決方案。

2 需求分析

互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代已經(jīng)到來，但在現(xiàn)在的正常生活中，還是有很多我們?nèi)粘Ｊ褂玫奈锲窙]有實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+。例如現(xiàn)在的鞋類，它現(xiàn)在的功能僅僅只是保護(hù)足部，并沒有實(shí)現(xiàn)如同智能手表和手機(jī)一樣的智能化，有多種多樣功能。手機(jī)與智能手表很便捷，但是總有不方便攜帶的時(shí)候，例如運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)影響我們活動(dòng)，這就帶來了極大的不便。

現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備普及，定位設(shè)備普及，針對(duì)兒童走丟不方便尋找的問題，借助定位功能。手機(jī)手表容易丟失，在尋找方面有極大的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器不方便。在智能鞋上安置GPS模塊來實(shí)現(xiàn)定位功能，幫助警察來尋找丟失的人。

3 功能與技術(shù)分析

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

本系統(tǒng)由硬件平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過解析和處理后，在移動(dòng)端app中顯示。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互流程如圖1所示，以下是對(duì)這個(gè)流程的簡(jiǎn)單介紹。

（1）硬件平臺(tái)：使用壓力傳感器獲取穿戴者走路產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)，使用GPS模塊以固定頻率獲取穿戴者的當(dāng)前位置的GPS數(shù)據(jù)。獲取到的數(shù)據(jù)由單片機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行解析，之后通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給移動(dòng)端。

（2）移動(dòng)端app：移動(dòng)端接收到數(shù)據(jù)后，利用其中的壓力數(shù)據(jù)來生成用戶的步態(tài)模型，判斷用戶的步態(tài)是否健康進(jìn)而決定是否需要提醒用戶糾正不良步態(tài)。然后利用收到的GPS數(shù)據(jù)獲取用戶的經(jīng)緯度和位置信息，并用新的位置信息更新用戶的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。在進(jìn)行以上操作后，移動(dòng)端會(huì)向服務(wù)器發(fā)起一個(gè)http請(qǐng)求，將計(jì)算出來的最新數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器中保存。最后客戶端會(huì)使用計(jì)算出來的數(shù)據(jù)重新渲染相關(guān)的顯示。

（3）服務(wù)器端：服務(wù)器端負(fù)責(zé)存儲(chǔ)每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)和個(gè)人信息，為客戶端的各種操作提供支持。當(dāng)客戶端對(duì)服務(wù)器發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器首先會(huì)識(shí)別發(fā)起請(qǐng)求的客戶端的身份并判斷其是否有進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作的權(quán)限，在鑒權(quán)通過以后服務(wù)器會(huì)根據(jù)請(qǐng)求的具體類型執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的操作，在操作完成后會(huì)給發(fā)起請(qǐng)求的客戶端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求完成的響應(yīng)。

以下是系統(tǒng)運(yùn)行的基本流程：

3.2 系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)與功能說明

利用“智能鞋”采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)模型的建立。本系統(tǒng)主要分為三部分：服務(wù)器端、客戶端、硬件平臺(tái)。以下是系統(tǒng)架構(gòu)圖：

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)功能說明：

（1）服務(wù)器端：存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，保存注冊(cè)用戶的信息，驗(yàn)證用戶登錄信息是否正確。

（2）客戶端：為接受硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)提供接口，進(jìn)行分析計(jì)算數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)渲染，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端。提高人機(jī)交互體驗(yàn)：用戶可以在客戶端查看硬件平臺(tái)所提供的信息。

（3）硬件平臺(tái)：控制硬件系統(tǒng)。采集壓力、gps數(shù)據(jù)，提供通訊支持，將數(shù)據(jù)傳遞給客戶端。

3.3 技術(shù)分析

防走丟智能鞋的實(shí)現(xiàn)思路可以簡(jiǎn)單概括如下：在鞋內(nèi)嵌入硬件系統(tǒng)，獲取穿戴者的GPS信息和鞋底不同部位的壓力值，將獲取到的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送到用戶的手機(jī)APP，APP將收到的數(shù)據(jù)解析后進(jìn)行計(jì)算得出用戶的步態(tài)信息和位置信息，將這些信息在APP中顯示出來，并后臺(tái)發(fā)送到服務(wù)器保存。接著，鞋內(nèi)的硬件系統(tǒng)繼續(xù)獲取數(shù)據(jù)…手機(jī)繼續(xù)計(jì)算……不斷重復(fù)以上過程。

開發(fā)防走丟智能鞋需要用到的技術(shù)分為軟硬件兩部分，硬件部分主要用到了C51單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，GPS模塊開發(fā)技術(shù)，wifi/藍(lán)牙模塊通信技術(shù)。以C51單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)的中樞，來調(diào)度整個(gè)硬件系統(tǒng)的功能，并作為壓力傳感器模塊、GPS模塊兩大模塊與手機(jī)APP通信的中轉(zhuǎn)站。

壓力傳感器采集到的鞋底壓力數(shù)據(jù)和GPS模塊采集到的GPS位置數(shù)據(jù)是模擬電路數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)會(huì)被數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路數(shù)據(jù)。單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)按照燒人的程序指令繼續(xù)將得到的數(shù)字電路數(shù)據(jù)發(fā)送到所連接的手機(jī)里。

如果沒有手機(jī)被連接，發(fā)送將不會(huì)進(jìn)行。單片機(jī)和手機(jī)的連接用藍(lán)牙模塊或wifi模塊來實(shí)現(xiàn)，在單片機(jī)系統(tǒng)可以由穿戴者手動(dòng)操作來開啟藍(lán)牙模塊或wifi模塊的信號(hào)發(fā)散，此時(shí)打開手機(jī)的wifi熱點(diǎn)或藍(lán)牙，就可以與單片機(jī)系統(tǒng)建立連接。當(dāng)連接建立后，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)送到所連接的設(shè)備。

開發(fā)防走丟智能鞋的軟件部分使用android開發(fā)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端的開發(fā)，android開發(fā)技術(shù)中分別有對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙技術(shù)和wifi技術(shù)可以用來和單片機(jī)中的對(duì)應(yīng)模塊建立連接。當(dāng)app的wifi/藍(lán)牙接口收到數(shù)據(jù)后，監(jiān)聽藍(lán)牙/wifi數(shù)據(jù)接受事件的方法會(huì)被調(diào)用，收到的數(shù)據(jù)在解析和計(jì)算后將會(huì)被渲染到手機(jī)屏幕上，然后向服務(wù)器發(fā)起一個(gè)post請(qǐng)求，把計(jì)算后的數(shù)據(jù)保存到服務(wù)器上。在app啟動(dòng)時(shí)，會(huì)像服務(wù)器發(fā)起get請(qǐng)求來獲取當(dāng)前登錄用戶的步態(tài)信息和過去保存的位置信息。

得到智能鞋穿戴者授權(quán)的人可以在自己手機(jī)端的app中，向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，查看穿戴者的數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

本篇文章指出了智能鞋解決方案的研究意義，將現(xiàn)在鞋類產(chǎn)品存在的幾個(gè)問題做了細(xì)致的闡述，并指出問題的產(chǎn)生原因和解決方法，以及對(duì)硬件和軟件的功能和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了分析。

我們將會(huì)在今后繼續(xù)完善我們的硬件與軟件，例如加入更精確的定位、優(yōu)化界面、更快的訪問速度等。

參考文獻(xiàn)：

[1]高敏，張一帆，洪成雨.不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體足底壓力分布及分析[J].服裝學(xué)報(bào)，2019，18（4）：301-304.

[2]聞剛，胡志剛，杜喆，等.動(dòng)態(tài)足底壓力測(cè)量系統(tǒng)研究[J]‘河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，40（6）：19-23，31，5.

[3]趙治羽，馬磊，孫永奎.基于足底壓力傳感器的步態(tài)識(shí)別方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2019，42（13）：26-31.

[4]宋廣玥，宋智斌，項(xiàng)忠霞.基于足底壓力傳感器的不控制減重比例下步態(tài)相位識(shí)別[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2019，26（3）：260-266.

[5]聞剛.穿戴式足底壓力動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的研究[D]。洛陽：河南科技大學(xué)，2019.

[6]雷洪翔，任爽，呂鐸，等.全球定位系統(tǒng)（GPS）信息采集與處理[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2018，8（16）：34-35，39.

[7]何米.基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易GPS定位器設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信世界，2018（7）：88.

[8]程勝，蔣純，李德志，等，基于GPS和GSM的兒童防走失單片機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界，2018（8）：76-77.

【通聯(lián)編輯：代影】

作者簡(jiǎn)介：劉春澍（1997-），男，山西霍州人，學(xué)生，研究方向：前端開發(fā);王英強(qiáng)（1981-），男，山西運(yùn)城人，副教授，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)、軟件工程。