智能便攜手杖的設計研究

程君霞 許可 程瑛璠 牛妞 王潔 姜雪

一、前言

隨著高科技的發展，智能手杖興起，現如今基于物聯網、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展，智能設備已經普遍進入到百姓萬家的生活當中，很多人的身邊并不缺少智能化設備。然而，針對某些特殊人群的智能化技術產品確是少之又少。在這交通與生活狀況日趨復雜多變的環境，手杖不僅需要提供支撐作用，還需要定位系統、自動報警等功能。而老人及作為社會上為數不少的一個群體，更應該引起大家的關注。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計方案

（一）材料應用

我們選用碳纖維作為新型多功能拐杖的主要材料。碳纖維復合材料具有很多優異性能，如它的質量很輕、強度高、剛度高，具有優良的減振性，耐疲勞和耐腐蝕等性能。用于拐杖設計中，可以減少特殊人群的負擔，減震性更助于老人行走;碳纖維復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，在室溫狀態下具有彈性，在較小的外力作用下便能發生較大的形變，去除外力作用后又能恢復原來的形狀。產品采用金屬伸縮桿，既結實又輕便;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）外觀設計

本產品有伸縮性，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計，無特殊要求則產品默認為簡潔大方的純白色。產品的色彩設計與造型設計息息相關，它吸引著消費者的眼球，靚麗富有親和力的色彩對造型設計又十分具有感染力。

（三）功能設置

1.頂部是收縮式拾物夾，收縮時為手握式拱形。

2.杖身設有聲報警器，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的防滑摩擦橡膠，靠近底端處設有三個上下收縮式穩定型三角滑輪，在步行不便的時候可將滑輪推出，方便步行。

4.內部設有GPS定位系統，可將使用者當前位置信息發送至后臺（親人手機內），確保使用者的安全，并根據定位系統向聯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系人。

6.杖頂的手握式拾物夾中心設有USB接口，可進行USB充電。

三、智能便攜手杖的關鍵技術設計和引入

本產品內部的首要設計模塊是通過手機端來達到控制網絡服務器的效果，同時采用了傳感器和嵌入式等涉及物聯網的多種技術來達到不同類型的模塊之間的控制及轉換，對日常出行的人群進行實時的路線監測，從而保障用戶的自身安全。內設有傳感網絡層，其中包含了模擬量傳感器，所以所有的通訊數據都需要進行傳送前的信息化處理。

（一）聲報警器系統

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

（二）GPS定位

GPS模塊通過與單片機相連可發送坐標位置信息，提供定位服務。指定接收人的手機會收到個人GPS定位報警系統發送的短信消息，單片機根據發送短信的特定步驟，具體是短信息主要基于GMS網絡發布的SIM短信息服務之上在移動終端間傳送。GPS本質就是利用GPS定位衛星在全球范圍內進行定位、導航的系統。GPS由美國國防部研制建立;它是一種衛星導航系統，具有全方位、天候、時段、以及高精度的特點，它實現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航信息的目的，是應用于導航領域中的衛星導航技術典范，它有力推動了數字經濟發展，并且極大提高了信息化水平。具備監控平臺、傳輸網絡以及GPS終端，這三個要素便可以提供了行駛路徑的監控、對用戶的定位、防盜和呼叫指揮的效果。

（三）藍牙接口

藍牙技術使用方便、可靠性高，低成本并且低功耗，這種短程無線數據與語言通信技術主要用于通信。就目前而言，藍牙技術包含了識別技術、傳感器技術和通信技術，是這些與物聯網的應用融合集成，使得小型網絡在智能家居中很適合。當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勢，對傳統產業發展有了質的升級。就本產品而言，采用了藍牙無線技術，使其能夠在移動電話、PDA無線耳機等等相關的外設間進行無線信息交流，能夠簡化特殊人群的移動通訊設備，同時與GPS定位和聲報警器聯系起來，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，使得本產品更加方便、便攜。該USB端口符合大眾IO接口的連接，對產品進行快速充電提供電量以支持高GPS定位系統、聲報警器系統和藍牙系統等技術的正常運行，同時本產品耗電量較少，可采用移動充電寶等方式進行充電。

（五）系統微處理器

微處理器由一片或少數幾片大規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部間的數據處理、分析以及運算。此外，如若遇到老人跌倒等突發異常情況，處理器會把信息通過3G傳給位置管理系統及時告知其家人，進行實時安全檢測。為了大大提高通信接口以及數據處理的速率，采用了高性能的LPC2124芯片——一個提供仿真系統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部。

四、結語

在這款專為特殊人群設計的智能便攜手杖中，運用了物聯網專業知識（傳感網技術、無線數據通信）進行產品的創新設計與改造，設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;其中與智能設備相連接，更加便捷，一鍵式呼救、一鍵式伸縮以及GPS定位系統等等。都大大增加了出行的安全可靠性。而在此設計中，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，設計新穎，結構簡單，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，隨著高科技發展，智能設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，并沒有太大的優勢，他們學習能力落后，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用，重在呼吁社會對老、弱群體的關注與重視。（作者單位：蚌埠學院計算機工程學院）