浅析智能鞋的研究

陈学忠 周命凯

【摘 要】随着我国老年人的逐渐增多，社会已经进入人口老年化，老人们怎样能让子女们安心的工作，怎样能让在百忙之中的子女们不担心老人的安全，我们利用移动物联网技术打造一个具有保暖，舒适，照明，定位，按摩，计步，语言，充电，智能提醒，摔倒报警于一体的多功能智能守护鞋。

【关键词】智能；鞋子；定位；老人；足底按摩

百善孝为先，你可曾想过，当冬夏来临时，有一双空调鞋使您的父母脚下四季如春；当晚上走在一片漆黑的小巷时，有一双鞋能照亮您父母前方的路；当有紧急电话时，有一双鞋能通过振动铃声加闪烁及时提醒您的父母前来接听；当您和父母游玩走散时，有一双鞋能告诉你父母身在何处；更重要的是，当您父母摔倒，处于极度危险，需要人帮扶时，有一双鞋能及时准确的感知并启动报警器寻求帮助。种种的这些服务，只因有一双智能鞋。

一、鞋子的由来

鞋子是怎么来的？最早的人类由于土地高低不平，气候的严寒酷暑等，本能的想要保护自己的双脚，为适应恶劣的自然环境环境，想办法抵御外界的各种伤害，他们会就地取材，用手边的大块树皮或树叶，甚至是将野草垫于脚下，用植物枝条藤茎绑定固定，这就是大约出现在公元前8000年至公元前7000年最早的“凉鞋”。鞋子就是这样产生的。

而在我国，鞋文化历史源远流长，据历史考证，中国最早的一双鞋子是从中国的新疆楼兰出土的距今已经四千年的羊皮靴，这双羊皮靴，脚大估计是在23厘米，是穿在一个新疆18岁少女的女干尸的脚上的，这不仅是中国迄今为止所发现的最早的一双出土的鞋的实物，也是世界上最早的一双出土的鞋子实物。

此后，鞋子的功能不断增多，呈现出以下作用：

（1）功能性：穿鞋可以保护脚部较少接触外界刺激，如刺伤、划伤、烫伤、冻伤等；还可以通过穿鞋达到某些特定的效果，如增高等。

（2）美观性：不同的季节、不同的款式，通过与衣饰搭配妆点外表；

（3）象征性：可以通过所穿鞋的档次，体现个人身份、财富、实力等。

随着移动互联网的进步，普通的鞋子已经渐渐地满足不了人们的需求，基于移动物联网的新一代多功能智能鞋将是鞋业界的下一个发展方向。

二、智能鞋的介绍

智能鞋主要是为儿童和老人设计，以市场上普通鞋为基础，融入GPS定位系统、微控制器、传感器等核心技术，以及内置的动力系统、陀螺仪、压力传感、智能语音系统和第五代移动通信传输等部分组成。采用GPS+LBS基站的定位技术，通过5G网络实时传输数据至微服务器，并将信息实时传送至手机APP，从而实现智能鞋。

定位功能：采用GPS+LBS基站的定位技术及第五代移动通信传输，能实现精确度米级别的定位并实时传输信息。

计步功能：采集智能鞋传输的计步数据，通过手机APP能直接查看运动数据，便于监护人了解老人和儿童当天的身体情况，进而分析并提出合理建议。

健康快报：采集用户的心跳数据、运动数据及其他生理状况信息，通过大数据+人工智能、结合逻辑回归以及协同过滤等算法，对用户的健康状况评分，并提出医师建议，促进健康生活。

防滑设计：鞋子底部采用SAFREE超耐磨橡胶大底，仿生章鱼外观吸盘设计，能够让鞋底具有很强的防滑效果。

照明闪光灯设计：智能鞋鞋底由LED灯环绕，可根据不同的场景手动或自动调节灯光照明。

保暖设计：互联网通信技术离不开电能的供应，智能鞋配备一块3400MA的优质锂离子电池用于供电，容量大，并配置抗压保护壳，安全系数高，采用优质的充电端口、可同时对一双鞋子充电，充电端口防水设计，经久耐用，性价比更高。考虑到冬季严寒问题，老人家一般都有老寒腿，儿童上学静坐教室易发冷。智能鞋的保暖设计将电能转化为热能，可以很好地解决冬季严寒问题。

警报设计：这是智能鞋的核心。世上没有绝对的防御，即使防范的再好，意外任然在一旁虎视眈眈，若稍有不慎，危险就会到来。老人和兒童最怕的就是摔倒，磕磕碰碰，若摔倒的老人和儿童受伤，又无旁人相助或四面无人，时间久了，将可能面临极大地生命危险。智慧鞋的警报系统能在人摔倒不起10秒后启动。首先，自动拨打120救助电话，同时亮起智能鞋上的所有闪关灯，若在晚上能更快被发现；然后，响起警报以引来周围的人前来帮助；最后，重复播放一段家人联系方式的语言，以便周围人能及时通知摔倒者的家人。

工作流程图

三、智慧鞋的技术原理

定位系统由三部分组成：模拟传导部分、信号输出部分、设备控制部分。通过集成芯片将GPS，SIM卡，LBS基站等定位系统整合在了一起，通过包装将定位模块与之结合，并固定在鞋底，实现定位。

防滑设计方面，由于鞋底滑不滑，就是指鞋底与路面之间的摩擦力大不大。我们知道，两个接触物体之间的摩擦力取决于3个因素，物体表面的摩擦系数k，物体之间的接触面积s，施加与物体上的压力f。这三个变量越大，那么摩擦力也就越大。压力f就是体重，体重不能轻易改变；再看接触面积s，每个人的脚大小都是固定的，鞋子要合脚就不能做大，所以只能改变摩擦系数k，鞋底采用了摩擦系数大的牛筋鞋底软度延展性好而且防滑，牢固不容易磨坏，深花纹，大大减少了滑到的情况。

最重要的是电路警报系统：整个报警器分为四个部分：SCA60C传感器、检测电路、音频模块和报警电路。

利用三轴加速度传感器和陀螺仪采集人体脚步的运动信息，通过SVM和TA算法判断老人是否跌倒以及跌倒的姿态。跌倒检测判别单元采用MPU6050加速度传感器采集脚步姿态信息。MPU6050内部集成用于加速度和角速度识别的三轴加速度传感器和陀螺仪。其可通过软件程序控制最大加速度测量值可达±16g，角速度最大感测值可达±2000°/sec（dps），可准确追踪快速与慢速动作，对脚部的3个方向的加速度和倾斜角进行测量识别。将加速度 传感器采集得到的3个方向的加速度合成成为信号向量幅值SVM，如下面公式（1）所示。

倾斜角TA表示老人脚步角度发生变化的幅度，意外跌倒过程中会使脚步产生较大的倾斜角，TA表达式如下所示：

因为老人在发生意外跌倒的情况较多，为了降低误报率所引起的不必要干扰，提高检测精度，算法以及SVM和TA值作为判断依据，设定正常工作状态下的阈值作为参考。若SVM和TA值不满足阈值，此时将检测后续一段时间10秒内的三轴加速度值是否正常，三軸加速度值不正常，将启动警报系统。

健康快报实现：

1、数据采集：使用Flume数据采集技术将通过传感器等获取有效信息（计步数、血压、心跳频率、血脂等）存储到指定目录，并根据时间做分区；

2、数据清洗：将数据传入Kafka缓存，再使用Strom技术消费Kafka中的数据做流式计算，得到指定规则数据；

3、指标分析：使用Spark Streaming技术对身体各项数据指标按照指定算法进行评分，并匹配ElasticSearch数据库已有的专家意见内容，将分析结果存储到Mysql数据库；

4、结果展示：将结果数据通过互联网传输到App或PC端，分别展示动态结果；

四、智能鞋的现状及趋势

现在检测人体跌倒的技术大致分为基于计算机视觉分析和基于穿戴传感器式。目前国内对于老年人护理技术的研究大多数还处于被动的医疗护理阶段。国内的产品还处于刚刚面试，产品完善阶段，有很多问题需要不断的探讨与改进。

随着生活水平的提高，我国人均寿命有了较大的增长，老年人口也随之逐渐增多，根据我国第六次人口普查结果显示，我国65岁以上老年人口已达1.2亿，占总人口的8.87%。其中，年龄超过六十岁的人群占人口总数的13.26%，达到了1.7亿。此外，我国老年人口数量还以每年0.3%到0.5%的速度增长，社会老龄化已经越来越明显。

老要有所依。根据研究调查，全国老龄化最严重的城市是上海市。2010年，上海市户籍人口中因跌倒致死1983人，其中87.1%的为65岁以上老年人。此外，据医院统计，因外伤前来就医的老人有50%是由于跌倒所致，伤情严重住院的老人有80%是跌倒病例。据调查，我国每年有30%的65岁以上老年人会跌倒，80岁以上老年人更是有50%的会跌倒，扩大到全国，每年有超过两千万的老年人会因跌倒受伤。现代人生活节奏快，子女上有老，下有小，压力大，为生计奔波，分身无术，根本没时间照看老人的起居，一旦不慎跌倒，无人发现，得不到及时治疗，后果不堪设想。跌倒不仅仅给老年人的身体造成损失，更难以治愈的是心理状态的打击，会使老年人对跌倒产生恐惧，从而不敢进行活动，久而久之会使各项生理机能下降，产生恶性循环，加重跌倒几率。另外，截止2011年，我国0-14岁的人口占到了16.6%，约2.2亿。2016年5月到2017年5月，我国失踪儿童共1317人，这也是一个不可忽视的社会问题。智能鞋将大有作为，市场前景。

五、结语

智慧鞋的出现，愿老人摔倒的情况不再发生，愿儿童失踪的事件不再重现，愿天下父母都能团圆。让幼真正有所养，老真正有所依。

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