基于老年人群体的智能拐杖设计

毛丽凤，林君濠，严珩洋，刘李龙

（广东职业技术学院，广东佛山，528000）

1 设计方案的提出

现阶段，我国已经进入老龄化社会，老龄化问题给社会和家庭带来了巨大的压力。老年人随着年龄的增长，腿脚越来越不灵活，记忆力逐渐衰退，出门不便，容易出现摔倒和走失，所以经常在电视和网络上看到摔倒长时间无人扶起，以及寻找走失老人的新闻。针对以上情况，本文是基于老年人群体而设计的智能拐杖。

2 系统方案

本文以STC89C52为主控件，设计了一款具有GPS定位、GSM短信传输、报警系统、LED照明、MP3等多功能智能拐杖，该设计操作简单、成本低、具有较强的实用性和市场价值。

■2.1 主要功能、指标与实现原理

(1)GPS定位：拐杖系统内置GPS定位功能，能实时获取老人所处的位置，家人可以及时关注到老人的行踪轨迹；如果老人不慎走失或者迷路，可以通过按键，立刻即可获得位置，以免紧急情况发生。

(2)GSM短信传输：拐杖采用GSM模块SIM800，具有基于GSM网络进行通信的所有基本功能，能将获取的老人位置经纬度信息通过短信的形式，发送给紧急联系人，便于快速找到老人。

(3)报警系统：报警系统含1个红色LED指示灯和1个蜂鸣器，当老人摔倒的时候，或者需要帮忙的时候，可以按下按键发出警报，报警时，红色 LED指示灯点亮，蜂鸣器持续发出警报声，目的是让周围的人及时发现需要寻求帮助的老人。

(4)四轮底座结构可防摔倒、助扶、挂物件：四轮底座结构的设计本身具有较高的稳定性，在老人倚靠在该拐杖上，不至于倾斜，仍然能够保持较高的平衡性，且轮子结构具有助扶作用，在老人起身时，可以帮助老人站起。轮子具有刹车功能，老人在歇息时，可将拐杖轮子制动，用于挂放随手携带的外套或物件。

(5)小药箱的人性化设计：在拐杖中部，设计1个小药箱，放一些急用的备用药，在老年人外出时遇到紧急情况可随时随地取用，比如救心丸、创可贴等，体现了设计对老年人的关怀。

(6)MP3：内置MP3功能，满足老年群体日常娱乐所需，陪伴他们的日常生活，无需另外再携带其他播放器，减轻出行负担。

(6)LED照明：拐杖内置10mm的LED白灯，相当于多了一个照明的手电筒，在晚上或者灯光昏暗的环境起到照明作用，防止老人因为看不清而摔倒。

■2.2 硬件框图设计

该系统由单片机最小系统电路、GPS模块电路、GSM模块电路、报警电路、MP3、LED照明及按键电路等组成，控制核心为单片机。系统硬件框图设计如图1所示。

整个系统主要包括以下几个模块：

(1)GPS模块电路

本系统使用的GPS模块具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，在普通GPS 接收模块不能定位的地方，如狭窄都市天空下、密集的丛林环境，本系统模块都能高精度定位。模块接口原理图如图2所示。

图2 GPS模块接口电路原理图

(2)GSM模块电路

本系统采用GSM模块SIM800，具有基于GSM网络进行通信的所有基本功能，

模块接口原理图如图3所示。

图3 GSM模块接口电路原理图

(3)报警系统电路

本系统所采用的报警模块为5V有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管9012来驱动，只要单片机控制引脚为低电平，蜂鸣器就会鸣叫报警，反之则不鸣叫，可以通过控制单片机引脚方波输出形式控制蜂鸣器的鸣叫方式。电阻为限流电阻，保护作用。电路设计如图4所示。

图4 蜂鸣器报警电路原理图

(4)MP3语音模块

MP3电路选用JR6001芯片，带USB可直接更新曲库，支持两线串口控制。芯片通过外接按键控制音量减小、音量增大、上一曲、下一曲、播放/暂停，连接方式如图5所示。

(5)LED照明电路

选用超高亮10mm的发光二极管LED白灯，相当于拐杖多了一个照明的手电筒，接口原理图如图6所示。

图5 JR6001按键接线图

图6 LED照明电路原理图

■2.3 外观设计

本次设计的老年人智能拐杖外观如图7所示。

图7 老年人智能拐杖外观设计

（1）外形

老年人智能拐杖的外形，遵从产品本身固有形态，主要是从原有的普通拐杖形状演变而来，在细节方面设计突显不同。此次设计的老年人智能拐杖，风格既经典又时尚，在充满科技感的同时又保证其功能实用性。根据人机工程学原理，设计成有弧度的握柄，让使用者握持更舒服，用着更舒心。

（2）颜色

在高科技百花争艳的年代，年轻人的产品形形色色，对于老年人产品的色彩搭配也不能忽视。色彩往往比形态更具吸引力，这也是影响工业产品造型设计的一个非常重要的方面。本款老年人智能拐杖选用黑色搭配中国红。黑色彰显出一种朴实的高贵，给人沉着、稳重的感觉。红色，意味着平安、吉庆、福禄、康寿。

（3）材质

材料的运用也是影响设计的一个重要因素，本款老年人智能拐杖主要使用的材料就是PC材料。PC材料作为被世界范围内广泛使用的材料，有着其自身的特性和优缺点，是一种综合性能优良的非晶型热塑性树脂，具有优异的电绝缘性、延伸性、尺寸稳定性及耐化学腐蚀性；还具有可着色等优点。

（4）四脚轮底座结构

从智能拐杖的外观图可以看出，底座为四脚轮结构，且附带刹闸功能，老年人在行走时可以推动轮子，毫不费力；设计本身具有较高的稳定性，在老人倚靠在该拐杖上，不至于倾斜，仍然能够保持较高的平衡性；轮子结构具有助扶作用，在老人起身时，可以帮助老人站起；刹车功能，老人在歇息时，可将拐杖轮子制动，用于挂放随手携带物件。

3 系统测试

■3.1 GPS/GSM模块

系统上电后，每到设定的时间间隔，即向指定手机发送当前的定位数据一次；当紧急情况发生时，可随时摁下按键，GSM立即将当前的GPS定位数据发送到指定手机上。家人可通过定位数据，查询到老人所在的位置。GPS/GSM模块测试过程，如图8所示。

图8 GPS/GSM模块测试

当系统上电，电源指示灯点亮，GPS状态指示灯绿灯闪烁，表示定位成功；黄灯点亮时，系统将GPS信息通过GSM短信模块发送到指定手机上，指定联系人获取GPS短信，如图9所示。

图9 GSM短信传输内容

通过经纬度地图获取位置，如图10所示。

图10 通过短信获取具体位置

■3.2 报警系统

报警系统含1个红色LED指示灯和1个蜂鸣器，当老人摔倒的时候，或者需要帮忙的时候，可以按下按键，发出警报，报警时，红色 LED指示灯点亮，蜂鸣器持续发出警报声，目的是让周围的人及时发现需要寻求帮助的老人。测试效果如图11所示。

图11 报警系统模块测试

■3.3 LED照明

拐杖内置10mm的LED白灯，相当于多了一个照明的手电筒，在晚上或者灯光昏暗的环境起到照明作用，测试效果如图12所示。

图12 LED照明测试

4 特色

通过与相关专利、刊物、硕博士论文以及市场上同类型产品的相关查询与对比，总结有一下几点特色：

(1)GPS定位系统实时获取老人所在位置。综合应用MCU控制、GPS定位、GSM短信传输等技术，最终制作成智能定位报警拐杖。实时记录老年人出行轨迹，快速的知道老人的具体位置，便于监护人监控和寻找。

(2)四轮底座结构可有效防摔倒、助扶、挂物件。四轮底座结构很稳定，即使老人完全倚靠在该拐杖上，仍然能够保持较高的平衡性，不至于倾斜，且轮子结构具有助扶作用，在老人起身时，可以帮助老人站起。轮子附带刹车功能，老人在歇息时，可将拐杖轮子制动，用于挂放随手携带的外套或物件。

(3)MP3播放音乐。不需额外佩带播放音乐设备，满足老人日常娱乐需求。

(4)小药箱的人性化设计。在拐杖中部，设计1个小药箱，放一些急用的备用药，在老年人外出时遇到紧急情况可随时随地取用，比如救心丸、创可贴等，体现了设计对老年人的关怀。