黎 陳，劉繽績(jī)，史可欣，田志鵬，黃 薇，姚 敏

（武漢東湖學(xué)院電信學(xué)院，湖北 武漢 430212）

作為全球老齡產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)潛力最大的國(guó)家之一，中國(guó)養(yǎng)老行業(yè)仍存在許多急需完善之處。老年人的生活護(hù)理和健康保障是城市建設(shè)急需解決的問題。老年人出行經(jīng)常存在諸多不便，特別是下雨天氣，更是給老人帶去極大的不便甚至危險(xiǎn)。老人出行依靠的雨傘目前大多只有遮雨的功能，且市面上出現(xiàn)的雨傘功能效果單一。通常老年人由于身體素質(zhì)和行動(dòng)能力相對(duì)薄弱，需要隨身攜帶拐杖，并偶有迷路走失的現(xiàn)象發(fā)生，更會(huì)遇到身體不適等一系列需要緊急求助的情況。考慮到老年人的這些切身需要，本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種多功能智能晴雨傘來解決和改善這些常見問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)的材質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所提出的老年人多功能智能晴雨傘通過雨傘和拐杖的結(jié)合造型，使雨傘既能擋雨又能輔助行走。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由MCU控制模塊，GPS模塊，GSM模塊，手柄加熱模塊以及音頻播放模塊五個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)GPS定位、一鍵求助、暖手、音頻播放等功能。

考慮到雨傘結(jié)構(gòu)本身的局限性和雨傘使用時(shí)的特殊外部環(huán)境，對(duì)雨傘的外觀，材質(zhì)，支架進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)。傘骨采用輕便有優(yōu)良強(qiáng)度性能的碳鋼材料，使雨傘具有良好的支撐力；傘面采用橡膠塑料類防水材料，該材料具有抗拉強(qiáng)度高，

彈性和延伸率大，粘結(jié)性、抗水性和耐氣候性好等特點(diǎn)，可以冷用，使用年限較長(zhǎng)使該雨傘具有優(yōu)良的防水性；雨傘底部設(shè)計(jì)采用了可更換的摩擦系數(shù)大且有彈性的材料作為支腳墊，防止拐杖與地面接觸時(shí)打滑，減少地面給人體的反作用力及對(duì)人的不適感。更重要的是當(dāng)雨傘倒地的時(shí)候，老人只要用腳尖輕踩一下防滑墊的邊緣即可輕易的讓拐杖重新回到手中，避免了因?yàn)閺澭鼡煊陚愣斐蓪?duì)老人腰部的損害。

為了解決如何通過增大電路板面積來集成各功能電路，從傘面，傘骨，傘柄的結(jié)構(gòu)考慮電路板的安裝位置，提出采用了圓柱體柔性電路板內(nèi)置傘柄，節(jié)約了集成電路的面積，更輕易內(nèi)嵌進(jìn)傘柄。主要硬件都集成于傘柄處。電子器件均涂上加固膠水，電路板涂上防水膠，傘柄外圍添加防水膜，實(shí)現(xiàn)防摔、防水，提高雨傘的安全耐用性。

電源接口置于傘柄底部。系統(tǒng)采用按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，傘柄處設(shè)有三個(gè)按鍵，為方便老年人在緊急情況下使用一鍵求助功能，特別地將一鍵求助按鍵單獨(dú)置于一面，其他兩按鍵則置于傘柄另外一面。

在傘的外層特別的加上反光條設(shè)計(jì)，利用反光材料的逆反射原理，提高駕駛員發(fā)現(xiàn)前方物體的距離，從而能給駕駛員以更充分地時(shí)間，采取相應(yīng)的安全處置措施。

初步外觀和功能結(jié)構(gòu)分布如圖 1所示。

圖1 智能傘外觀和功能結(jié)構(gòu)分布圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

為了更高效地接受信號(hào)和處理信號(hào)，我們?cè)谟布到y(tǒng)中加入MCU控制模塊，它可以控制GPS定位、溫控加熱及音頻播放三個(gè)部分。MCU在GPS模塊接收到有效的GPS信號(hào)后，可控制GSM模塊向指定的手機(jī)用戶發(fā)送定位求助短信。MCU還可以通過溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界溫度的測(cè)量，若溫度低于設(shè)定值，則啟動(dòng)PTC熱敏電阻開關(guān)加熱傘柄。MCU還能通過按鍵開關(guān)控制內(nèi)嵌式播放器實(shí)現(xiàn)音頻播放的功能。硬件電路模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

（1）一鍵定位和短信求助功能設(shè)計(jì)。選用SIM900A集成模塊。SIM900A是一款尺寸緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序。SIM900A GSM/GPRS使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM/GPRS 900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM900A能滿足M2M 幾乎所有應(yīng)用要求，尤其是小巧、緊湊型的設(shè)計(jì)符合我們傘柄空間大小。在APP“一鍵求助”設(shè)置界面中，提前添加“緊急聯(lián)系人和求助短信”，最多可添加三名緊急聯(lián)系人，點(diǎn)擊“完成”按鈕。當(dāng)老人突發(fā)意外情況按下傘柄處的一鍵求助按鈕 ，GPS模塊通過天線捕捉GPS衛(wèi)星信號(hào)極小的電磁波并轉(zhuǎn)為微弱的電流，并將該信號(hào)傳至接收模塊。GPS接收模塊處理該信號(hào)后傳送給MCU，由MCU判斷接收的GPS信號(hào)是否有效，向GSM模塊發(fā)送不同的AT指令。確定信號(hào)有效則同時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊（即系統(tǒng)的API模塊），APP獲取GPS模塊中的GPS 信號(hào);通過數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)獲取的GPS 信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝使其適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并通過GSM模塊向指定的手機(jī)用戶發(fā)送求助短信，通信模塊最終將已處理完成的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，顯示在用戶界面。當(dāng)接收的GPS信號(hào)無效時(shí)，系統(tǒng)將直接通過GSM模塊向指定的手機(jī)用戶發(fā)送求助短信（“我需要幫助”）。如圖3所示。

圖3 通信處理模塊示意圖

圖4 過熱保護(hù)裝置原理圖

圖5 軟件設(shè)計(jì)方案

（2）暖手功能設(shè)計(jì)。此加熱系統(tǒng)是在傘柄處采用保溫棉填充，保溫棉用塑料膜封裝以保證保溫效果。用雙控溫電熱儲(chǔ)能式結(jié)構(gòu)，逐漸釋放熱能。內(nèi)設(shè)自動(dòng)過熱保護(hù)裝置及自動(dòng)保溫指示裝置，一個(gè)由PTC熱敏電阻開關(guān)控制的小電爐，PTC是正溫度系數(shù)的熱敏電阻，系統(tǒng)運(yùn)行后，內(nèi)置溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)度低于20°C時(shí)，MCU啟動(dòng)加熱模塊，通電，增大溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的最高溫度時(shí)，溫控開關(guān)視為斷開，所以“熱寶”此時(shí)停止消耗電能，之后靠保溫棉對(duì)電爐的保溫來緩慢放熱。待溫度降至20°C以下，MCU接收到低溫信號(hào)控制發(fā)熱模塊再次啟動(dòng)。自動(dòng)過熱保護(hù)裝置原理如圖4所示。

（3）音頻娛樂設(shè)計(jì)。在傘柄處安裝一種內(nèi)嵌式音頻播放器和MCU系統(tǒng)相連，通過傘柄處的按鈕控制音頻播放器的開關(guān)。其中的內(nèi)嵌音頻播放器即使一種迷你MP3播放器，由微處理器、存儲(chǔ)器、放大器、DSP構(gòu)成。微處理器是播放器的大腦，它通過與mcu相連的播放鍵接受信息，并向DSP芯片發(fā)送指令，告訴它如何處理音頻，DSP執(zhí)行一個(gè)解壓算法來解壓MP3文件，然后數(shù)模轉(zhuǎn)換器會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成音波，DSP從存儲(chǔ)器中提取歌曲數(shù)據(jù)，將其放到播放器。

2 軟件設(shè)計(jì)方案

MCU主要依靠系統(tǒng)工作流程圖工作，如圖5所示。流程圖可分為定位、一鍵求助、溫控加熱和音頻播放四個(gè)部分。系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)按鍵和手柄溫度。按鍵按下后，系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的定位、一鍵求助或播放器功能，執(zhí)行完畢繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)按鍵和手柄溫度、控制發(fā)熱體，使手柄溫度保持在設(shè)定溫度之間。

3 結(jié)語

這把專門針對(duì)老年人開發(fā)的多功能智能雨傘通過雨傘和拐杖的結(jié)合造型，在晴天給這些行動(dòng)不便的老人充當(dāng)拐杖，在突然下雨時(shí)可以及時(shí)轉(zhuǎn)換為雨傘擋雨，雨停時(shí)又可轉(zhuǎn)換為拐杖輔助行走，充分解決了老人出門的一系列不便的問題。

GPS定位功能在老人們出門遇到意外情況時(shí)，通過及時(shí)發(fā)送位置信號(hào)向家人進(jìn)行求助。音頻播放功能也滿足老年人隨時(shí)隨地的娛樂需求，愉悅身心。同時(shí)在傘柄處貼心地設(shè)置了USB充電式暖手寶，以便在寒冷天氣撐傘時(shí)更好地照顧到老人的身體。在傘面材料上也使用了特殊的選擇和細(xì)心的設(shè)計(jì)，邊緣處采用反光條設(shè)計(jì)，使過往的車輛可以及時(shí)避開老人，減少老人夜間行走的危險(xiǎn)性以及傘面滴水造成地面濕滑而帶來的各種隱患。傘面和傘柄采用的疏水性材質(zhì)減少了傘面積水，從而降低由此引起的濕滑地面所帶來的危險(xiǎn)系數(shù)。

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