智能便携手杖的设计研究

程君霞 许可 程瑛璠 牛妞 王洁 姜雪

一、前言

随着高科技的发展，智能手杖兴起，现如今基于物联网、传感器的高科技，手杖对于老人、孕妇以及各类特殊人群提供了非常有力的帮助。与此同时，随着嵌入式的迅速发展，智能设备已经普遍进入到百姓万家的生活当中，很多人的身边并不缺少智能化设备。然而，针对某些特殊人群的智能化技术产品确是少之又少。在这交通与生活状况日趋复杂多变的环境，手杖不仅需要提供支撑作用，还需要定位系统、自动报警等功能。而老人及作为社会上为数不少的一个群体，更应该引起大家的关注。而对于另一种特殊人群——孕妇而言，新闻中常有报道她们在公共场合时物品掉落，由于身体原因无法弯腰将其拾起，必须求助于旁人，孕妇出行，总有不便。因此，出于功能要齐全以及轻便的考虑，此产品将一些具有特殊功能的工具“集成”在手杖上。

二、智能便携手杖的总体设计方案

（一）材料应用

我们选用碳纤维作为新型多功能拐杖的主要材料。碳纤维复合材料具有很多优异性能，如它的质量很轻、强度高、刚度高，具有优良的减振性，耐疲劳和耐腐蚀等性能。用于拐杖设计中，可以减少特殊人群的负担，减震性更助于老人行走;碳纤维复合材料还具有回收性能，有利于减少资源的浪费。拐杖底部采用橡胶脚套。橡胶是一种具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温状态下具有弹性，在较小的外力作用下便能发生较大的形变，去除外力作用后又能恢复原来的形状。产品采用金属伸缩杆，既结实又轻便;顶端的塑料握夹可以帮助行动不便的特殊人群拾起掉落的物品，增强了实用效果。

（二）外观设计

本产品有伸缩性，不使用时可收缩成迷你雨伞大小的圆柱体，外观美丽携带方便，符合大众审美。色彩方面可供顾客选择自己喜欢的颜色和图案设计，无特殊要求则产品默认为简洁大方的纯白色。产品的色彩设计与造型设计息息相关，它吸引着消费者的眼球，靓丽富有亲和力的色彩对造型设计又十分具有感染力。

（三）功能设置

1.顶部是收缩式拾物夹，收缩时为手握式拱形。

2.杖身设有声报警器，在使用者需要帮助时传出呼救信号。

3. 底部装有虹膜式光圈技术的防滑摩擦橡胶，靠近底端处设有三个上下收缩式稳定型三角滑轮，在步行不便的时候可将滑轮推出，方便步行。

4.内部设有GPS定位系统，可将使用者当前位置信息发送至后台（亲人手机内），确保使用者的安全，并根据定位系统向联系人提供使用者位置路线。

5.手杖可连接蓝牙，连接到手机后按下按钮即可自动拨打绑定用户的紧急联系人。

6.杖顶的手握式拾物夹中心设有USB接口，可进行USB充电。

三、智能便携手杖的关键技术设计和引入

本产品内部的首要设计模块是通过手机端来达到控制网络服务器的效果，同时采用了传感器和嵌入式等涉及物联网的多种技术来达到不同类型的模块之间的控制及转换，对日常出行的人群进行实时的路线监测，从而保障用户的自身安全。内设有传感网络层，其中包含了模拟量传感器，所以所有的通讯数据都需要进行传送前的信息化处理。

（一）声报警器系统

声报警器多用于危险场所时危险的发生，通过声音向周围人群發出警告和求救的信号。它的主要原理是利用了经低频功率放大的音频小信号转化为声能，即实现了电子能和声能的转换。

（二）GPS定位

GPS模块通过与单片机相连可发送坐标位置信息，提供定位服务。指定接收人的手机会收到个人GPS定位报警系统发送的短信消息，单片机根据发送短信的特定步骤，具体是短信息主要基于GMS网络发布的SIM短信息服务之上在移动终端间传送。GPS本质就是利用GPS定位卫星在全球范围内进行定位、导航的系统。GPS由美国国防部研制建立;它是一种卫星导航系统，具有全方位、天候、时段、以及高精度的特点，它实现了为全球用户提供高精度、低成本的精确定时、三维位置和速度等的导航信息的目的，是应用于导航领域中的卫星导航技术典范，它有力推动了数字经济发展，并且极大提高了信息化水平。具备监控平台、传输网络以及GPS终端，这三个要素便可以提供了行驶路径的监控、对用户的定位、防盗和呼叫指挥的效果。

（三）蓝牙接口

蓝牙技术使用方便、可靠性高，低成本并且低功耗，这种短程无线数据与语言通信技术主要用于通信。就目前而言，蓝牙技术包含了识别技术、传感器技术和通信技术，是这些与物联网的应用融合集成，使得小型网络在智能家居中很适合。当今社会愈来愈趋向于信息化，信息的快速交流和传递占有重要地位，而蓝牙先天便捷快速的优势，对传统产业发展有了质的升级。就本产品而言，采用了蓝牙无线技术，使其能够在移动电话、PDA无线耳机等等相关的外设间进行无线信息交流，能够简化特殊人群的移动通讯设备，同时与GPS定位和声报警器联系起来，更加方便保障自身安全。

（四）USB端口

采用了USB端口进行充电补能，使得本产品更加方便、便携。该USB端口符合大众IO接口的连接，对产品进行快速充电提供电量以支持高GPS定位系统、声报警器系统和蓝牙系统等技术的正常运行，同时本产品耗电量较少，可采用移动充电宝等方式进行充电。

（五）系统微处理器

微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器，它作为智能手杖的核心组成部分，不仅要及时完成与各个传感器和逻辑部件之间的信息交换，而且还要迅速进行内部间的数据处理、分析以及运算。此外，如若遇到老人跌倒等突发异常情况，处理器会把信息通过3G传给位置管理系统及时告知其家人，进行实时安全检测。为了大大提高通信接口以及数据处理的速率，采用了高性能的LPC2124芯片——一个提供仿真系统和跟踪功能的低功耗微高性能控制器，并将高速Flash存储器植入了控制器内部。

四、结语

在这款专为特殊人群设计的智能便携手杖中，运用了物联网专业知识（传感网技术、无线数据通信）进行产品的创新设计与改造，设计了一款集多功能于一体的的便携手杖，它摆脱了大众化手杖的思想，利用新型科技提供更为方便与安全的功能技术;其中与智能设备相连接，更加便捷，一键式呼救、一键式伸缩以及GPS定位系统等等。都大大增加了出行的安全可靠性。而在此设计中，同时考虑到在某些特殊场合的不便，于是增加了可伸缩的功能，三段式缩，设计新颖，结构简单，在不用时收缩即可收纳起来，不占用过多空间，为出行人群提供便携。

这款智能便携手杖功能齐全，很多地方仍在调试中不断改进，争取做到高功效、低成本。同时在这个智能化的时代，随着高科技发展，智能设备普遍进入到人们的生活，很多人的身边并不缺少智能化设备。然而，针对某些特殊人群（如老年人、孕妇）而言却寥寥无几。对于年老的人以及生活不便的人群而言，并没有太大的优势，他们学习能力落后，思想难以跟进，因此希望此研究能为特殊人群的出行带来便携，在生活中可以得以应用，重在呼吁社会对老、弱群体的关注与重视。（作者单位：蚌埠学院计算机工程学院）