劉文強(qiáng),馬 媛,武強(qiáng)強(qiáng)

(1.西北民族大學(xué) 化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730124; 2.西北民族大學(xué) 化工學(xué)院工程訓(xùn)練中心,甘肅 蘭州 730124))

隨著世界人口的急劇增加,人口的數(shù)目在不斷地上漲。從而浮現(xiàn)出了很多人群,例如老齡化的現(xiàn)象[1],致使年邁的老人或患有阿爾茨海默癥、健忘癥等人群不斷增多。而且中國是全世界盲人最多的國家,約600～700萬盲人,占世界盲人總數(shù)的18%,由于視力的原因,他們的行動(dòng)很不方便[2]。以及熱愛運(yùn)動(dòng)喜好登山的人們。然而這些看似并沒有什么關(guān)系的人群卻在無形中都有著一個(gè)共同點(diǎn),那就是都會(huì)使用到拐杖。當(dāng)然不同的人群使用著不同的拐杖,而本文設(shè)計(jì)并研究一種智能化的拐杖可以適用于以上人群,并且能通過設(shè)計(jì)和研究更好地服務(wù)于以上人群,給他們造來福音。傳統(tǒng)的拐杖僅僅由一根木棍構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單并且沒有什么其他的功能,而且存在一些問題。例如,無法對(duì)使用者將要接近的障礙物進(jìn)行提醒,無法告知使用者當(dāng)前的方位和時(shí)間,緊急情況下使用者無法向家求助等[3]。并且對(duì)于登山愛好者們所擁有的運(yùn)動(dòng)登山杖,如果迷失了方向,或者需要探索未知的地方人卻進(jìn)不去、以及想要記錄自己一路的經(jīng)歷等問題。本文針對(duì)以上存在的問題,進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整基于傳統(tǒng)拐杖和運(yùn)動(dòng)登山杖的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一款可以起到支撐、導(dǎo)盲及定位導(dǎo)航和視頻記錄于一身的智能化、人性化的智能手杖。行程記錄系統(tǒng)不僅僅可以語音導(dǎo)航,還擁有攝像功能。通過攝像頭記錄下用戶的一天,由遠(yuǎn)程操控可在另一端清晰、快捷的觀看到手杖一端景象。此外擁有傳統(tǒng)拐杖便于行走、以防滑倒、減輕腿部承受身體的部分壓力的功能;還包括運(yùn)動(dòng)登山杖的主要作用:為減輕膝關(guān)節(jié)的壓力,便于節(jié)省體力避免心肺功能的超負(fù)荷。而導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)不僅僅適用于盲人還可供登山者探測未知區(qū)域的道路情況,利用超聲波的傳播速度快、指向性強(qiáng)、頻率高、能級(jí)消耗緩慢等特點(diǎn),結(jié)合聲波儀和紅外線方便更精確地探測障礙物。該裝置將單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理功能,與超聲波的測距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合。語音系統(tǒng)發(fā)出警示音,提醒用戶前方障礙物需躲避。

1 總體設(shè)計(jì)方案

智能手杖顧名思義,是一種非傳統(tǒng)的拐杖和非一般登山所用的手杖的一款智能化、人性化的新型手杖不僅僅擁有支撐、減壓、登山功能,更有導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)、行程記錄系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、語音提示[4]、蜂鳴器警示系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等智能化、人性化功能。筆者設(shè)計(jì)一款智能多功能化的登山杖,由拐杖頭、攝像儀(包含簡易攝像頭,類似于手機(jī)、筆記本等中所安裝的微型攝像系統(tǒng))、蜂鳴器、三節(jié)空心桿身、單片機(jī)、超聲波傳感器、光敏傳感器、警示燈、鐳射紙、穩(wěn)壓電源、語音系統(tǒng)、GPS自動(dòng)定位系統(tǒng)、電線若干和組成電子系統(tǒng)設(shè)備的集成芯片電路板組成(圖1)。

圖1 智能手杖功能示意圖

2 設(shè)計(jì)目的

智能手杖的設(shè)計(jì)目的有以下幾點(diǎn):①幫助用戶導(dǎo)航、定位。隨時(shí)隨地的通過GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行位置定位,與此同時(shí)通過語音系統(tǒng)與行程記錄系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行語音導(dǎo)航;②幫助用戶探測前方道路。通過導(dǎo)盲系統(tǒng)中的超聲波測障礙物,并且結(jié)合聲波儀和紅外線方便更精確的避免障礙物,降低用戶的危險(xiǎn)指數(shù);③幫助用戶記錄一天的行程或?qū)崟r(shí)觀測用戶的情形。通過行程記錄系統(tǒng),由攝像儀記錄下當(dāng)天所發(fā)生的一切并儲(chǔ)存在SD卡中,還可以通過遠(yuǎn)程隨時(shí)隨地的了解用戶的情況,觀看到現(xiàn)場的情形;④可以通過蜂鳴器警示系統(tǒng)、照明系統(tǒng)幫助用戶在夜間使用,并且由此警示其他人或者引起其他人的注意,方便用戶。由此得出初步的設(shè)計(jì)理念:適用人群為老人、盲人以及登山愛好者;長度為120cm;能量供應(yīng)為鎳氫電池儲(chǔ)電;使用環(huán)境為室外。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能手杖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括:一款智能多功能化的登山杖,由拐杖頭、攝像儀、蜂鳴器、三節(jié)空心桿身、單片機(jī)、超聲波傳感器、警示燈、鐳射紙、穩(wěn)壓電源、語音系統(tǒng)、GPS自動(dòng)定位系統(tǒng)、控制按鈕、電線若干和組成電子系統(tǒng)設(shè)備的集成芯片電路板組成。智能手柄主要分為二個(gè)主要部分:手柄、手桿。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能手杖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.1 行程記錄系統(tǒng)

行程記錄系統(tǒng)主要是由攝像頭、家人手機(jī)終端以及存儲(chǔ)功能所組成。在用戶開啟電源時(shí),此功能正常使用。通過攝像頭從而記錄一下使用者的一天行程,不僅可從遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端觀看到用戶這端事實(shí)發(fā)生的情況,還可以通過存儲(chǔ)功能進(jìn)行存儲(chǔ)。倘若是年邁的老人或者患有阿爾茨海默癥、健忘癥等人群可以根據(jù)攝像儀以及GPS定位系統(tǒng)及時(shí)知道用戶的位置以及當(dāng)場的情形,更加便捷的尋找到用戶,使危險(xiǎn)降低到最低。行程記錄能夠記錄下用戶多發(fā)生的一切事情,還可以通過攝像功能記錄下一路上美麗的風(fēng)景,視頻資料既可以儲(chǔ)存又可以在遠(yuǎn)程觀看達(dá)到一種共享的狀態(tài)。

3.2 導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)

導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制下的超聲波測距系統(tǒng),再結(jié)合聲波儀和紅外線方便更精確的避免障礙物。超聲波測距系統(tǒng)主要是使用超聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射脈沖觸發(fā)信號(hào)[5],當(dāng)超聲波遇到障礙物返回到接收器再到反饋系統(tǒng)由單片機(jī)控制語音系統(tǒng)進(jìn)行語音提示。在使用過程中按下導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)按鈕時(shí),此功能開始工作。當(dāng)前方障礙小于30 cm時(shí),語音系統(tǒng)播報(bào)“距離前方障礙物30 cm”,從而提醒用戶降低危險(xiǎn)性的發(fā)生。并且有著紅外線測障和聲波儀協(xié)助完成精確測障,使其精確度增高,模擬量輸出,使用更加方便。

3.3 GPS定位系統(tǒng)

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到 用戶接收機(jī)之間的距離,然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知 道接收機(jī)的具體位置[6]。GPS定位系統(tǒng)所采用的是GPS-OEM版定位,其定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性,擁有著12道并行的軌道,可以在第一時(shí)間內(nèi)鎖定可視衛(wèi)星,其位置精度為15mRms(SAoff)/10m(差分)、速度精度達(dá)0.1 m/s,適合在拐杖中使用[7],并且長壽命后備鋰電池使重捕速度更快,全屏蔽封裝具備優(yōu)秀抗電磁干擾特點(diǎn)。CPU采用STC12C5A32S2單片機(jī)。該CPU是宏晶科技有限公司生產(chǎn)的一款高性能8位單片機(jī),運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)[8],從而將CPU與GPS通過串口與單片機(jī)相連。

3.4 語音提示系統(tǒng)

語音提示系統(tǒng)所利用的是集成的語音系統(tǒng)LD3320A,其自帶語音識(shí)別和對(duì)應(yīng)的語音播報(bào),不需要更多的控制就能簡易的。并為了實(shí)現(xiàn)智能化、人性化的設(shè)計(jì),此語音系統(tǒng)通過單片機(jī)控制的四根控制線SCLK、MOSI、MISO、/SS的SPI協(xié)議對(duì)LD3320A進(jìn)行串口通信。SPI總線系統(tǒng)可以使單片機(jī)與外圍設(shè)備以串行的形式進(jìn)行通信上的信息交流。接口信號(hào)MOSI是指主器件數(shù)據(jù)輸出,從器件數(shù)據(jù)輸入。SCLK是由主器件產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。/SS是由主器件控制的從器件使能信號(hào)。原理結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 語言系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

3.5 蜂鳴器警示系統(tǒng)

蜂鳴器警示系統(tǒng)主要是由蜂鳴器、揚(yáng)聲器所組成,通過按鈕的控制,使其正常工作。當(dāng)按鈕按下時(shí)會(huì)發(fā)出警示鳴笛,提醒其他路人,再次按下按鈕警示鳴笛取消。照明系統(tǒng)主要是由攝像儀下方的閃光燈所組成[9],在夜間或者需要警示提醒他人時(shí),打開照明系統(tǒng)的按鈕即可進(jìn)行照明。并且為攝像提供一個(gè)更加良好的環(huán)境,使拍攝的視頻更加清晰、明亮。

4 手杖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

智能手杖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)拐杖以及運(yùn)動(dòng)登山杖的優(yōu)勢于一身,并且智能方便,可伸縮長度.其手柄部分是中空的,內(nèi)部安裝穩(wěn)定電源、單片機(jī)、控制按鈕、揚(yáng)聲器和蜂鳴器。手柄后端設(shè)有開口方便給電池充電,內(nèi)部安裝的穩(wěn)點(diǎn)電源是可充電性干電池。而當(dāng)電池電量不足時(shí)警示燈就會(huì)亮起提醒用戶及時(shí)充電,警示燈由發(fā)光二極管構(gòu)成。而單片機(jī)通過電子系統(tǒng)設(shè)備和導(dǎo)線與下端GPS定位系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)相連接。而控制按鈕是控制蜂鳴器的工作,通過用戶的控制發(fā)出聲音。因?yàn)槭直锌瘴恢幂^大并且此裝置較為重,放在手柄位置可以更好地使手杖重量分布均勻。在手柄的下端即與手桿接觸部分,安裝有攝像頭及閃光燈。正好處于手柄的正下方既有手柄的保護(hù)又方便攝像,攝像儀與閃光燈是處于手桿中空的內(nèi)部鑲嵌在手桿的表面,類似于手機(jī)后屏的裝置結(jié)構(gòu),而在其后面則有一個(gè)安放存儲(chǔ)卡的卡槽,便于安放和更換儲(chǔ)存卡。手桿部分由三節(jié)空心桿身所組成(圖4)。三節(jié)桿身是可以收縮的并且可以根據(jù)用戶隨意調(diào)節(jié)高度。每節(jié)空心桿40 cm,有著二擋調(diào)高的功能。在第一節(jié)空心桿中設(shè)有語音系統(tǒng),GPS定位系統(tǒng),由單片機(jī)所控制其電路模塊。在第三節(jié)空心桿中安裝超聲波、聲波儀和紅外線的發(fā)射裝置及其接收裝置,并由手柄處單片機(jī)所控制通過導(dǎo)線傳遞電信號(hào)。超聲波發(fā)射距離在45°、1.5 m的扇形范圍內(nèi),超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播(超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s),s=340t/2[10])，途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí),通過計(jì)算可得出障礙物的距離。當(dāng)檢測到障礙物會(huì)有單片機(jī)協(xié)調(diào)語音系統(tǒng)向用戶反饋,與此同時(shí)手柄會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)從而提示用戶。

圖4 手桿部分組成圖

5 結(jié)束語

智能化多功能手杖本著其功能多樣化,技術(shù)新穎化,設(shè)計(jì)創(chuàng)新化將深受廣大老年及青年市民的捧愛。普通的傳統(tǒng)拐杖僅有在支撐體力不支的情況下使用,而且設(shè)計(jì)笨重,靈活性差。多功能智能化手杖采用高端的智能化電子設(shè)備,輕捷便于攜帶,具有傳統(tǒng)拐杖無法比擬的優(yōu)勢。智能手杖內(nèi)置有利用電子技術(shù)設(shè)計(jì)研制的GPS定位導(dǎo)盲系統(tǒng)、超聲波傳感器、行程記錄設(shè)備、語音控制系統(tǒng)、蜂鳴器等高端設(shè)備等,多樣化的人性化外表加上智能化的內(nèi)部系統(tǒng)使本產(chǎn)品將會(huì)有很好的市場前景,可在全國范圍內(nèi)推廣宣傳使用,讓更多的人熟知,更多的老年人,青年人,特殊殘疾人群受益。并且該設(shè)計(jì)功能齊全、產(chǎn)品耐用、使用壽命高、成本低,能滿足普通老百姓的購買能力和功能需求,具有廣闊市場前景。

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