基于单片机的老年人智能化拐杖设计

关键词：阿里云；目标检测；老年人；拐杖；智能化

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）36-0093-03"开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

随着社会的老龄化趋势，老年人的安全和健康问题愈发受到重视。为此，团队设计了一款基于阿里云HaaS后台服务框架的智能化拐杖，旨在实时监测老年人的身体状况并提供必要帮助。

这款拐杖的创新之处在于其集成了多种先进技术，特别是百度飞桨平台实现的跌倒检测技术。一旦检测到老年人跌倒，它会立即通过GPS定位和短信报警功能通知家人或紧急联系人，确保老年人得到及时救助。

此外，拐杖还具备心率和体温监测功能，能够实时关注老年人的健康状况。一旦检测到异常，它会触发报警机制，确保老年人获得及时医疗救助。同时，阿里云HaaS后台服务框架为拐杖提供了强大的数据处理和存储能力，使健康数据更为全面和准确。

在设计上，追求用户体验和设备的稳定性。简洁的操作界面和人性化的设计使老年人能够轻松使用，而高品质的材料和先进工艺则确保了拐杖的耐用性和可靠性。

预期中，这款智能化拐杖将显著提升老年人的生活质量和安全感，减轻家庭压力，促进社会的和谐发展。共同期待它能够成为关爱老年人的重要工具，让科技为老年人带来更多温暖和便利。

1 国内市场现状

随着信息网络的飞速发展，许多商品逐渐智能化，极大地提升了我国人民的生活品质，并成为中国经济发展与社会转型的重要动力。我国政府始终将“互联网+”和人工智能技术在实体经济中的应用视为国家各领域转型的关键方向。《中国制造2025》《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》以及《关于印发新一代人工智能发展规划的通知》等国务院层面的重要政策均明确提出，要大力推进互联网技术的创新应用[2]。

目前，老年人口占比大，且随着人口老龄化问题的日益严重，这一问题在社会中引起了广泛关注。在人口老龄化加剧、国家政策支持等因素的推动下，智能化拐杖市场迎来了崛起和创新发展的机遇，推动了这一市场的快速发展。

随着现代社会人口老龄化程度的不断加深，老年人日常出行的安全问题愈发受到关注。然而，传统拐杖功能单一、智能化程度低，已无法满足当前社会的需求。因此，需要借助互联网技术对拐杖进行智能化改进和创新，以满足老年人出行的安全需求。

2 国内人口现状

从全国范围来看，到2020年，我国60岁及以上老年人口占比已达23.4%，60岁及以上人口增长率超过43.24个百分点，65岁及以上老年人口占比13.5%，65 岁及以上人口增长率超过总人口增长率55.04个百分点，老化率已达11.23%，人口老化速度增长明显快于总人口的增长速度[3]。伴随老龄化程度的不断加深，空巢老人问题日益突出。由于成年子女工作压力大、劳动人口外流等原因，他们难以承担抚养多个老年人的责任。加之老年人易患慢性疾病，且缺乏日常照料和陪伴，这为老年人的生活安全带来了诸多挑战。

3 拐杖整体结构设计

本文所介绍的老年人智能化拐杖是一款基于阿里云HaaS 后台服务框架和深度学习技术的创新产品。该智能化拐杖由软件平台和硬件终端两部分组成，旨在提供老年人日常生活的安全与健康保障。软件平台部分是基于阿里云物联网平台实现的24小时全天候实时可视化拐杖数据监测，它能够实时展示老年人的心率、定位和体温数据，让家人或监护人随时掌握老年人的身体状况和位置信息。硬件终端部分由芯片、Wi-Fi模组、GPS实时定位传感器、红外线体温监测传感器、心率监测传感器、摄像头模组和GSM 短信传感器等组成，主要负责老年人使用拐杖过程中心率、体温、人体状态、地理位置等信息的采集和上云，以及在需要时发出相应求救短信及时救护老年人，最大限度保证老年人的健康安全。

3.1 硬件设计

本文智能化拐杖中硬件终端部分精选了高性能的组件，以满足智能化拐杖的各项功能需求。具体如图1所示。

3.1.1 STC8A8K64S4A12开发板

选用STC8A8K64S4A12作为主控芯片，这款8位CPU芯片拥有最大64KB Flash和4个UART接口，能够满足智能拐杖在数据处理、通信扩展和实时响应方面的需求。

3.1.2 摔倒监测模组

采用ESP32-WROVER-DEV开发板搭配OV2640 W摄R像O头VE，R实-现DE基V于开深发度板学的习高的性摔能倒和检低测功功耗能特。性ES，P结32合- OV2640摄像头的图像采集能力，能够准确识别老年人的摔倒动作，并通过GSM短信及时通知家人或紧急联系人。

3.1.3 体温监测模组

选用MLX90614红外线传感器，实现非接触式体温监测。该传感器具备高精度和高分辨率，能够准确反映老年人的体温变化，并实时上传至云平台。

3.1.4 心率监测模组

采用PulseSensor传感器，通过手指接触的方式采集加上简单计算即可获取老年人的心率数据，并传输至主控芯片进行处理和上传。该传感器方便集成且易于二次开发，满足智能拐杖对心率监测的需求。

3.1.5 GPS定位模组

采用HT2828Z3G5L 传感器，支持北斗和GPS 双模定位，具备高灵敏度和低功耗特点。无论在城市峡谷还是高架下等信号弱的地方，都能实现快速、准确的定位。

3.1.6 GSM短信模组

在GSM短信模组的选择上，选用SIM800C模块。

这款模块因其出色的四频GSM/GPRS支持、数据传输速率高达85.6kbps和具备强大的扩展性和丰富的接口，包括GPIO、USB2.0和UART等。满足在各种环境下都能保持稳定的通信连接需求和为拐杖的多样化功能提供了硬件支持。

选用SIM800C的另一个重要原因是其小巧的尺寸（17.6mm×15.7mm×2.3mm） ，使其能够灵活地集成到拐杖的任何位置。同时，其低功耗设计确保了长时间使用的稳定性，为拐杖的持续通信提供了可靠保障。这些硬件组件的选型均围绕功能需求、性能参数、接口支持和尺寸功耗等方面进行了综合考虑，以确保智能化拐杖的稳定性和可靠性。

3.2 软件设计

在嵌入式软件设计方面，本文采用了模块化的程序框架，包括传感器驱动、数据采集存储、云端通信等模块，确保系统的高效稳定运行。同时，云平台提供了访问控制和数据加密等安全防护措施，保障用户数据的安全。

该智能化拐杖的设计中需要通过编程实现的有：

1） 数据采集：通过集成传感器，实时采集体温、心率、GPS定位等关键数据，并通过摄像头捕获目标检测图像。

2） 云端上报：采集到的数据通过嵌入式系统处理后，上传至阿里云HaaS物联网平台，实现数据的远程监控和管理。

3） 摔倒监测：利用百度飞桨平台的目标检测功能，开发了一个高精度的摔倒检测算法。该算法基于YOLOv5模型，通过训练和优化，实现了对摔倒事件的准确识别。摄像头采集的图像数据被传输至云端进行检测，一旦检测到摔倒事件，系统将立即触发相应的应急措施。

4） 短信通知：SIM800C传感器接收来自阿里云物联网平台的数据信息，一旦检测到摔倒事件或其他异常情况，将自动发送短信通知给用户或其监护人。

主程序流程如图2所示。

3.2.1 阿里云物联网平台

阿里云HaaS物联网平台为智能化拐杖提供了稳定的数据监测解决方案。该平台具有强大的计算和存储能力，能够满足拐杖数据监测的需求。同时，阿里云HaaS提供了必要的安全功能，如数据加密和访问控制，以确保用户数据的安全。通过阿里云控制台，可以轻松创建、配置和管理相关资源，实现对拐杖功能的可视化管理。

本文采用阿里云HaaS物联网平台作为云端解决方案，并使用Python语言编写云服务器后台程序。首先，在平台上创建项日和新建产品，配置相应的设备证书（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）和Prod-uctSeeret。接着，将这些信息烧录剑智能化拐杖的Wi-Fi模块，使模块能够联网并接人阿里云HaaS平台。最终，用户可以通过IoT Studio上的可视化Web页面查看拐杖的实时数据，如体温、心率、CPS定位等。

3.2.2 百度飞桨平台

百度飞桨平台是百度自主研发的具有丰富功能的产业级深度学习开源开放平台，以百度的深度学习技术研究和业务应用为基础[4]。

在百度飞桨平台的应用方面，详细规划了数据集的采集、标注、模型训练以及优化过程。通过精心设计的实验和迭代优化，确保了模型的高检测精度和高分辨率。在模型部署方面，采用了端侧和云端相结合的方式，既保证了实时性，又降低了网络传输的压力。

具体操作：

1） 数据集采集与标注：首先，自制了一个数据集，用于训练摔倒检测模型。该数据集包含了多种摔倒场景下的图像数据，并通过人工标注出目标区域。

2） 模型选择与训练：选择YOLOv5作为模型框架，并利用百度飞桨平台提供的计算资源进行模型训练。通过多次迭代和优化，获得了具有高检测精度的模型。

3） 模型部署与运行：将训练好的模型部署到云端服务器，并通过智能化拐杖的摄像头采集图像数据。数据通过Wi-Fi模块传输至云端，由飞桨平台进行检测。一旦检测到摔倒事件，系统将立即触发相应的应急措施，并通过SIM800C传感器发送短信通知给用户或其监护人。

4） 通过百度飞桨平台的应用，为智能化拐杖赋予了摔倒监测的功能，提高了老年人的使用安全性。最后，整个系统通过主程序流程进行协调和控制，确保各个模块之间的顺畅通信和高效协作。通过这一设计，为老年人提供了一个安全、智能的拐杖解决方案。

4 外观设计

正常情况下，在挑选拐杖外观时，人们会注重5个方面：重量、长度、把手、止滑、支撑[5]。

4.1 选重量

首先，许多人以为拐杖越轻越好。这其实是错误的观念，因为拐杖太轻时辅助效果会打折，容易导致拐杖折断；但如果拐杖太重的情况下，老年人拿久之后会导致老年人的身体会受不了[6]。因此，在材质的选择上也是经过深思熟虑。

对于拐杖的把手部分，本文选用Pu材质。Pu材质不仅结实耐用，还具有卓越的柔韧性和弯曲性，这使得拐杖在使用时能够更贴合用户的手部，提供更舒适的握持体验。同时，Pu材质的柔软灵活也让它不容易被拉断，保证了使用的安全性。更重要的是，Pu材质还具备出色的透气性和防水性能，无论是在潮湿还是干燥的环境中，都能保持良好的使用状态。而且， Pu材质整体重量轻盈，非常适合老年人使用。对于拐杖的主体部分，则是采用碳纤维复合材料。这种材料不仅轻盈，还具备极高的强度和耐用性，能够承受各种复杂的使用环境。碳纤维复合材料的坚固耐用特性使得拐杖在使用过程中不易变形，长时间保持良好的性能。同时，它还具有出色的抗震能力，即使在颠簸的路面上，也能保持稳定的支撑效果。此外，碳纤维复合材料还能有效抵抗腐蚀，即使在潮湿的环境中也能保持其原有的性能。这些优点都使得碳纤维复合材料成为智能化拐杖主体部分的理想选择。

最终把该拐杖的实际重量控制在了一个600至900克的理想范围内。

4.2 挑长度

拐杖的长度太长或太短都不好，手拄太短的拐杖，需要老年人弯腰才能将拐杖撑地；但太长的拐杖，老年人就不好施力。因此在设计智能化拐杖时，针对此问题设计了伸缩装置，老年人可以自行根据个人体型身高对智能化拐杖的长度进行调整。

拐杖的伸缩杆由两部分组成：上杆和下杆。这两部分之间使用按压式锁定机构连接。按压式锁定机构则是使用一个平面弹簧，通过按压扣件来锁定或解锁杖身，使用相对方便。为了调节高度，以适应不同身高的老人，主杆长度在64～105 cm 范围内可调。

4.3 看把手

在把手设计方面，团队深入研究了人体工程学原理，特别是关注于手部结构、握持习惯以及老年人群体的手部变化。因此，精心设计一种带有弧度的把手，这种设计充分考虑了老年人的手型特点，如手掌的大小、手指的弯曲度等，以确保把手能够贴合他们的手部轮廓。这种设计不仅提高了老年人在使用智能化拐杖时的舒适度，还增强了握持的稳定性，使得他们在行走过程中更加安心。

4.4 增止滑

智能化拐杖的4个底座选用橡胶脚套进行包装。这种橡胶脚套显著增大了拐杖与地面接触时的摩擦系数，具体来说，它能将摩擦系数提高到原来的1.22 倍，从而提高了拐杖的稳定性，使得用户在使用时更加安心。

4.5 加支撑

根据底座进行区分，可将拐杖分为单点支撑的“单拐”和多点支撑的“四脚拐”。

两者的差别在于底部支撑面积的多少，“单拐”只有一个点在支撑拐杖，而“四脚拐”有四个支撑点，支撑点越多越稳。因此，在智能化拐杖的设计上采用“四脚拐”模型作为拐杖的底座。但“四脚拐”的重量可能会稍大一些，使用时灵活性可能不如“单拐”。最后通过选用的材质不同，减少了大部分重量。

5 结束语

首先，这款拐杖集成了摄像头、GPS、红外线测温模块、心率模块以及GSM模块，使其能够实时获取老年人的身体状态数据、位置信息、体温和心率数据，并在出现异常时通过短信及时通知家属或联系人。这种多功能的集成不仅提高了拐杖的实用性，也极大地增强了老年人在日常生活中的安全保障。

其次，通过下位机将数据发送到阿里云平台，家属或联系人可以在平台端可视化地查看老年人的体温、心率和经纬度等信息，这种智能化的设计使得信息的获取更为便捷和直观。同时，拐杖的GPS定位功能使得家属或联系人能够随时了解老年人的位置，进一步提升了安全保障。

经过多次实验调试，这款智能化拐杖已经初步实现了GPS定位、摔倒报警、心率监测、体温监测和短信发送等功能，展现出了其强大的实用性和可靠性。同时，也意识到这款拐杖仍有进一步完善的空间。

期待通过不断地优化和改进，使这款智能化拐杖在功能上更加丰富和强大。例如，可以加入语音交互功能，使得老年人能够更加便捷地与拐杖进行互动；也可以加入更多的健康监测模块，如血压监测、血糖监测等，以更全面地关注老年人的健康状况。

这款智能化拐杖将具有广阔的市场前景。这款拐杖以其丰富的功能和强大的实用性，将能够满足老年人和家属的多样化需求，为老年人带来更加便捷、舒适和安全的生活体验。同时，这款拐杖也将在医疗、养老等领域发挥更大的作用，为老年人带来更多的福音。