基于区块链的多功能智行杖设计

王治国 张晓聪

（广东科学技术职业学院 广东珠海 519090）

随着我国经济的快速发展及老龄化社会的到来，社会越来越需要安全且便利的智能拐杖服务。如何设计一款真正能为老人带来了生活上的便利、为老人家属更放心的智能拐杖，成为目前迫切需要思考的问题。

传统智能拐杖的研究主要关注拐杖的一般的智能功能，如林瑾［1］、付主木［2］、苗立志［3］、刘北北［4］、陈超峰［5］、张凯［6］、毛丽凤［7］、刘元［8］、景婷婷［9］等研究者大都关注自动平衡、自动定位、自动扶起及娱乐等功能，但普遍忽略了自动报警、远程APP查看，特别是现场情况监控等实用性功能。

本项目团队在传统智能拐杖的基础上，考虑到传统智能拐杖的不足：自动扶起功能不显示，如果老年人跌倒后，可能出现骨折等情况，并不适合老年人自行依靠拐杖“自动扶起”；老年人拄拐行走，亲属无法实时掌控现场情况等。

为了解决这个问题，本团队设计了一款采用具备新型稳定机械结构和控制系统、实现了区块链管理，并可以通过无线应用APP来使用的多功能智行杖。

1 多功能智行杖的机械系统设计

多功能智行杖（见图1）主要采用下端直杆设计，上端开岔，呈折角形弯曲，顶部带小屏LED 显示，整体尺寸约30mm（R）×1000mm（H），带伸缩处理（650～1000mm 调节），下部安装橡胶材质防滑垫脚。多功能智行杖具备GPS/北斗定位、电话、报警、充电功能，方便老人拄杖行走。

图1 基于区块链的多功能智行杖外形图示

2 智行杖硬件系统设计

智行杖的控制系统主要由硬件系统、手机内置软件系统及移动应用端APP 组成。其中，硬件模块与传统智能拐杖比较类似，主要由角度传感器、蜂鸣器等组成，通过89S52单片机控制。软件系统控制硬件，实现红外线测距、报警、倾斜检测等多功能，并通过无线蜂窝网络接入云端系统，实现区块链网络监控，实时存证，实现无线应用端APP 是基于Android 端的移动APP。

智行杖主要依据“GPS/北斗+无线蜂窝网络”相结合的定位方式、无机原理和无线通信技术，将GPS/北斗定位芯片、单片机、无线收发模块等模块集成到手杖中，系统兼容性好、显示简洁、运行可靠，能自动进行拐杖定位，进行老人摔倒判断，并自动地进行远程报警、拍照和实时存证。

2.1 硬件系统设计

智行杖的硬件控制系统主要由带LED显示的监控屏幕、高清摄像头、无线收发模块、存储模块、求助模块、角度传感器模块、资助报警模块、GPS/北斗定位模块、地图数据模块、自动报警模块等组成，如图2所示。

图2 硬件控制系统的总体设计图

2.2 软件系统设计

智行杖的软件模块主要包括以下9 个部分：开机检测模块、实时监控模块、GPS/北斗定位模块、跌倒实时监控模块、数据库模块、自主求助模块、自动报警模块、蜂窝网络通信模块，以及部署在无线应用端的移动应用APP模块，如图3所示。

图3 软件系统的总体设计图

多功能智行杖的常规应用是首先通电，进行系统初始化过程，进行自动开机自检，进入到正常工作状态。通过传感器，获得老人的加速度和行走角速度，LED 智能显示屏自动显示老人的行走状态，计算出老人与地面的倾角，存储到手杖中，并通过无线收发模块自动上传到远端网络。一旦系统侦测到倾角超过危险阈值，立刻启动蜂鸣警告并自动发动到云端，老人亲属通过手机无线APP应用即刻得到现场信息。如果跌倒判断系统判断老人摔倒，自动启动摄像头拍照存证，上传云端网络，同时启动自动报警程序、存储定位信息，方便家属实时掌控和呼叫120 救护车。此外，自动报警模块能实现智行杖与家属的无线通话，通过区块链网络存证，呼叫路人协助（防止路人因法律纠纷拒绝救护老人）。程序流程如图4所示。

图4 程序流程

2.3 区块链存证设计

区块链技术是一种按照时间顺序将数据块以链条的方式组合成特定的数据结构，并以密码学方式保证不可篡改、不可伪造地去中心化共享总账，能够安全储存简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据。在智行杖的应用中，区块链主要的功能是：在老人跌倒后可能面对无人敢扶、无人愿扶的尴尬处境，通过智行杖的高清摄像头拍照取证，信息经过无线蜂窝网络上传到区块链的联盟链系统上实时存证，保障老人和扶助志愿者的安全。现场实时信息上链，通过区块链的分布式数据存储系统，不仅能够极大地保证数据的完整性、准确性和时效性，且数据可靠，具有防篡改机制，从技术上摒除了讹诈可能性，易于唤起路人的良知，有助于跌倒老人更快得到帮助。

本系统采用的区块链系统基于华为公司的区块链技术平台，以华为提供的增强Hyperledger Fabric 为内核，基于华为云全栈可信能力，包括弹性服务器、企业级容器、安全和人工智能等服务，在可靠性、性能、隐私保护方面做了增强和提升，满足企业级业务要求。

首先，建立Fabric联盟链与准入机制，建立老人摔倒现场现场监控区块链。其次，提供可信的数据共享交换。老人摔倒救助系统的各业务系统数据通过本地的区块链节点上链存证，并提供数据整合、数据处理、数据交换、数据共享等功能，形成联盟链内的数据可信共享交换能力，同时提供灵活的数据控制，各区块链节点可设计灵活的数据管理权限和分享策略机制，其技术架构如图5所示。

图5 老人摔倒扶助系统技术架构

2.4 移动应用APP设计

移动应用APP 模块是本项目的特色部分，基于Android客户端。移动应用APP基于用户的实际需要，包括老人个人信息管理、拄杖行走状态、GPS/北斗定位、摔倒判断、摔倒救助等全过程，即包括智行杖的工作状态、摔倒判断、摔倒扶助、无线通信、自动报警，以及拓展的老人MP3娱乐服务、医院急救呼叫、移动端同步等模块。

个人信息模块采用数据库同步存储技术，用户通过注册个人账号进入个人中心，登记用户的个人信息，包括姓名、性别、电话号码、病例记录、移动应用APP账号及密码等。

拄杖行走状态、GPS/北斗定位、摔倒判断等模块都是由智行杖内置软硬件系统控制，并能直接记录实时状态，无线通信模块、移动端同步模块进行信息上传到云端系统，实现家属实时掌握老人的行走状态，保障老人安全。

摔倒救助模块在老人摔倒的状态下启动高清摄像头拍摄，将实时状态上传云端区块链网络。同时，依据实际需要，呼叫120急救，并启动无线通信模块呼叫路人协助，达到更好救助老人的目的。

移动端同步模块通过采用阿里云的云数据库RDS对数据进行存储，并实现对数据源的同步操作，以及提供同步服务器和同步客户端之间的交互接口传输SyncML 数据包，完成数据同步。移动端同步让系统的数据检索更加灵活，进一步提高数据传输效率，同时为用户提供高效率、高质量的应用服务。

3 系统测试结果及分析

设计完成后，对该设计进行了功能测试。通过对两个志愿者的试用，发现基于区块链的多功能智能拐杖很好地实现了GPS/北斗定位、无线网络通话、录像摄影、区块链存证等功能模块，特别是多功能智能拐杖的自动“摔倒判断”功能能准确地判断拄杖老人是否摔倒，能根据实际情况发出蜂鸣，或者自动远程报警，并且能将多功能智能拐杖的实时位置发送到家属手机。在模拟老人摔倒的情况下，能实现模拟远程救助，GPS/北斗结合移动4G 的定位系统实现了准确度高的经纬度定位，误差较小，现场情况音像能实时上传到区块链系统，达到了更好地保障老人安全的设计目的。

4 结语

基于物联网的多功能智能拐杖是老年人等弱势群体安全出行的人文关怀，能解决目前老年人“摔倒了没人扶，没人敢扶”的现实问题。

本文所设计的基于物联网的多功能智能拐杖，以解决社会的实际需求为立足点，基于机电一体化设计，融入区块链网络，配备无线应用APP的实际应用，能解决老年人出行的困局。基于物联网的多功能拐杖体积恰当，机械结构合理、简单，机械系统和软件系统稳定，与之配套的无线端APP 能保证用户使用的便利性，不仅能实现拐杖的自动定位、摔倒判断、自动呼叫亲属和报警系统，还嵌入有关怀老人的“运动健康”APP 健康监测系统，能拓展MP3等娱乐功能，具有很好的市场推广价值。