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摘要：为解决老年人走失、摔倒等出行安全问题及联系需求，设计了一款具有实时监控、定位精确、触地报警、语音呼叫等多功能的智能行程记录拐杖。智能拐杖设备采用Air820UG作为主控芯片，ETA6002作为电源路径管理芯片，结合GY-25T运动处理传感器获取设备三维角度数据，使用SU-03T离线语音识别模组配合主控芯片实现语音呼叫功能，其射频电路用于网络数据交换。通过MQTT物联网传输协议进行设备和微信小程序后台之间的数据交互，实现设备功能的联网化和智能化。本设备体积小巧轻便，其背部设有安装卡扣，适用于各种型号或各种尺寸的拐杖。实验表明该智能拐杖设备设计合理，功能强大，操作简单，实用性强，成本较低,具有较强的实用性和市场价值。
关键词：出行安全；智能拐杖；Air820UG
Smart Crutch Device for the Elderly Based on Internet of Things Technology
Hu Bin，Cheng Haoxuan，Wu Junhao，Lin Zhanpeng，Zhou Siyuan(Zhanjiang University of Science and Technology,Zhanjiang,Guangdong 524094,China)
Abstract:To address the travel safety issues and contact needs of elderly people such as getting lost and falling,a smart trip record crutch with real-time monitoring,accurate positioning,ground contact alarm,voice call and other functions is designed.The intelligent crutch device uses Air820UG as the main control chip and ETA6002 as the power path management chip,combined with the GY-25T motion processing sensor to obtain the three-dimensional angle data of the device,and uses the SU-03T offline voice recognition module to cooperate with the main control chip to realize the voice call function,and its RF circuit is used for network data exchange.By adopting the MQTT Internet of Things transmission protocol,the data interaction between the device and the background of the WeChat mini program is carried out to realize the networking and intelligent functions of the device.The device is small and light,and its back is equipped with mounting clips,suitable for various models or sizes of crutches.The experiment shows that the intelligent crutch device has reasonable design,powerful function,simple operation,strong practicability,low cost,and strong practicability and market value.
Key words:travel safety;smart crutches;Air820UG
0引言
近年来，我国正逐渐步入老龄化阶段，预计2025年我国65周岁以上人口将超过14%[1]。其中行动不便的老人出行时会选择使用拐杖，如何科学化、智能化地保障老人出行安全已经成为我国重点民生问题[2]。老人外出时使用传统拐杖，面临着许多安全风险，诸如老人摔倒却无法得到救助、老人走失后却无法得知其当前位置、遇到突发情况时无法联系子女等，传统的拐杖已无法满足老人出行的日常需求[3-4]。
目前，国内对于老人智能拐杖进行了大量的研究并提出了相应的解决方案。洪亭轩[5]研究了基于STC12单片机的多功能智能拐杖设计，但没有联网功能和配套使用的小程序，子女无法远程获取老人当前情况；方仁杰[6]、廖庆洪[7]将GPS和超声波测障系统相结合，设计了一款导盲智能拐杖，但其无法实现语音呼叫和联网等功能；刘元[8]设计了基于物联网的自动报警智能拐杖，但其无法拆卸安装在不同型号的拐杖上；林瑾[9]针对视障人士研究并设计了自带导航系统的智能拐杖，但整体拐杖体积大、不灵活；姜斌[10]研究并设计了智能盲人拐杖，但无摔倒检测报警功能；吴代坤[11]研究并设计了一款带座椅的新型助力式智能拐杖，但没有老人安全检测系统，无法保障老人的出行安全。上述文献虽然基本阐述了智能拐杖的外观设计和实现方案，但都未针对子女照顾老人的需求和能否适应多场景、多型号拐杖等问题，提出智能化、联网化、便携化智能拐杖的研究和设计方案。
本文提出的老人智能拐杖设备采用Air820UG作为主控芯片，GY-25T运动处理传感器实现摔倒报警功能，SU-03T离线语音识别模组用于语音识别，以及音频播放电路等部分共同构成老人智能拐杖设备。摔倒监测、走失报警为老人出行提供安全可靠的保护措施，配合微信小程序的使用，有助于子女能更及时地了解老人外出动态和实时位置，语音呼叫联系人能大幅度降低本设备的操作难度。此外，本设备体积小巧易于拆装，能灵活的安装在各种型号的拐杖上。
1硬件系统
1.1系统整体
根据老人出行的实际需求，本设计由定位循迹、摔倒报警、数据传输以及语音通话4个功能子系统组成。定位循迹子系统：使用定位芯片进行Beidou/GPS/GLONASS多定位系统混合定位[12]。摔倒报警子系统：通过运动处理传感器监测拐杖姿态间接判断老人姿态[13]。数据传输子系统：运用网络协议建立单片机与微信小程序之间的数据交换通道[14]。语音通话子系统：设备可使用LTE协议语音呼叫或接听来电[15-16]。系统功能框图如图1所示。
1.2硬件系统
1.2.1 Air820UG主控芯片
Air820UG是一款基于紫光展锐UIS8910DM平台设计的LTE无线通信和GNSS定位二合一模组。支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G远距离通信和Bluetooth近距离无线传输技术，支持WiFi Scan和WiFi定位，支持GPS/Bei‐dou/GLONASS多系统卫星定位。因此，选用Air820UG作为主控芯片可以省去额外的LET、GPRS和GPS等模块，大幅度减小整体设备的体积。此外，Air820UG内部还集成了USB下载调试功能、音频扩音系统、低压差线性稳压器，进一步减少了USB转TTL烧录调试电路、功放电路、系统电源稳压电路等外部电路。在无事件触发时Air820UG会自动进入睡眠模式，以降低设备的功耗，延长设备的工作时间。
为了降低老人对智能拐杖设备的使用难度，本设计增加了语音识别系统。老人无需进行物理操作即可实现语音拨号等功能。语音识别系统和Air820UG主控芯片分开使用独立的麦克风，防止音频信息串扰。本设计采用了GY-25T运动处理传感器，Air820UG主控芯片实时获取智能拐杖设备姿态数据。当老人外出时，可实时监测老人是否摔倒，保障老人的生命安全。
Air820UG主控芯片可通过SIM卡注册网络，进而使用MQTT协议与微信小程序通信，子女可通过微信小程序获取老人的实时位置信息、启动摔倒报警、切换定位模式等远程操作。硬件系统框图如图2所示。
1.2.2 ETA6002电源管理芯片
EAT6002电源管理芯片是一款动态路径管理的单节锂电池开关型充电芯片，其最大输出电流为2.5 A。该芯片集成了电池充电电路，同时具备电源路径管理电路，且所需外围电路少，可将本设备的电源管理电路最大程度的集成化。此外，其标准输入电压为4.4~6.0 V符合常用手机充电器的输出电压。
1.2.3 GY-25T运动处理传感器
GY-25T是一款低成本运动处理传感器模块。工作电压为3~5 V，功耗小，体积小，安装方便。通过陀螺仪与加速度传感器获取初始角度，经数据融合算法计算后得出三维角度数据。本模块含两种读取数据的方式，包括串口UART或IIC模式，串口波特率2 400~230 400 b/s可配置；有连续或询问两种输出方式，可掉电保存设置。GY-25T运动处理传感器的核心是MPU6050，但与MPU6050模块相比新增了航向角滤波设置，可设置参数抑制漂移。
1.2.4 SU-03T离线语音识别模组
SU-03T是一款低成本、低功耗、小体积的离线语音识别模组，能适用于各种智能设备。SU-03T支持中、英文识别，该模块可以在中噪声环境内识别特定的语句。具有自学习功能，可自由定制150条语音词条，识别率高达98%以上。
2软件系统设计
2.1 Air820主控芯片
2.1.1系统整体框图
通过Luat IDE实现对主控芯片Air820UG程序的编写和烧录，使用Lua语言和C语言两种编程语言，开发语音拨号功能、老人摔倒监测以及实时定位功能等。上电后设备进入系统初始化流程，包括准备通话功能、SIM卡注册4G网络、SIM卡激活PDP、获取IP地址、向微信小程序发送连接命令等。设备从微信小程序上获取定位方式数据，主控芯片根据定位方式数据判断并选择GPS定位模式或基站定位模式。当老人超出活动范围时执行相应的报警程序。若老人在此处逗留过久则进行久留提醒。当GY-25T运动处理传感器检测到智能拐杖设备的三维角度数据超出阈值时，根据摔倒的时长不同执行相应摔倒报警程序，保障老人的出行安全。通过SU-O3T离线语音模块识别到关键字后，触发主控芯片IO口上升沿中断，转而执行呼叫功能。若设备处于活动范围内、老人未摔倒报警且不处于通话状态，此时系统会自动进入休眠模式，一段时间后或外部中断都可唤醒拐杖。系统程序框图如图3所示。
2.1.2获取定位
智能拐杖设备向微信小程序获取定位方式指令，设备根据该指令选择GPS定位模式或基站定位模式。获取到当前经纬度信息后，处理微信小程序向设备发送的初始位置指令，若初始位置指令为“是”，则将当前设备所处的位置设为初始位置并保存，同时设备以初始位置为圆心，5 km为半径规划出老人的正常活动范围；若初始位置指令为“否”，则将当前经纬度数据信息发送给微信小程序。此后，设备判断老人当前所处位置是否超出正常活动范围，若处于正常活动范围则开始计时判断老人是否在此处逗留时间过长，如若逗留过久则通过语音播报提醒老人，并且在微信小程序上警告提示；若超出正常活动范围则通过微信小程序进行弹窗警示、显示当前走失位置，并将当前走失的经纬度数据以短信的形式发送给子女。通过上述3种报警途径，确保子女能第一时间收到老人走失的相关信息，并采取有效的救援措施。
2.1.3摔倒报警
GY-25T运动处理传感器监测到智能拐杖设备的倾斜角超出阈值后，触发程序外部中断，执行一级报警程序：通过扬声器向此时正在附近的路人呼救、向微信小程序后台发送一级报警指令。
微信小程序后台接收到摔倒报警指令的5 min后，若老人仍处于摔倒状态，则智能拐杖设备启动二级报警程序：获取老人当前摔倒位置的经纬度，并将摔倒相关信息以短信的形式通知子女、在微信小程序上进行弹窗警示、显示当前摔倒位置，最后，向微信小程序后台发送二级报警指令。
微信小程序后台接收到摔倒报警指令的10 min后，若老人仍处于摔倒状态，则智能拐杖设备启动三级报警程序：向专业人员拨打求救电话，并在通话过程中语音播报老人当前位置、给微信小程序后台发送三级报警指令。
当微信小程序的摔倒报警按键按下时，向智能拐杖设备发送停止命令，智能拐杖设备接收到停止命令后立即结束整个报警流程，有效避免因误触发而造成的误报警，防止医疗资源的浪费。
2.1.4语音呼叫
语音拨号：首先将联系人号码依次存入SIM卡的电话簿，并将预设的语音识别指令烧录到SU-03T离线语音模组中。当SU-03T模组识别到预设的语音关键词时，SU-03T模组将相应的IO口置为低电平。主控芯片根据语音模组的识别结果触发对应的外部中断程序，包括读取SIM卡中对应存储位置的联系人号码、根据该号码呼叫联系人。
接听电话：收到来电后，进行来电处理获取来电号码，并以TTS方式播报来电号码进行响铃提醒，同时注册POWER_KEY_IND按键消息后，使用POWER_KEY(轻触按键)短按停止来电提醒并接听电话，长按挂断电话。通话结束后重新置位变量、关闭定时器和停止音频的播放。
2.1.5休眠模式
当智能拐杖设备处于正常活动范围内且无久留报警、当前智能拐杖设备倾斜角在阈值范围内、此时智能拐杖设备并未处于通话过程中时，系统进入休眠状态。定时2 min后，系统会被自动唤醒；此外，通过微信小程序向智能拐杖设备发送唤醒命令、老人走失或摔倒等方式都可主动唤醒系统。智能拐杖设备在节省资源的同时，保证老人的实时需求。
2.2微信小程序
使用微信小程序进行开发，通过MQTT通信协议实现主控芯片和微信小程序之间的实时信息交互和功能控制，连接网络即可进行双方的数据交互，微信小程序部分主要分为5大功能：位置初始化功能、位置更新功能、老人摔倒三级报警功能、老人久留提醒功能、定位模式切换功能。
2.2.1位置初始化功能
通过微信小程序绑定功能按键——初始位置，使用主控芯片的定位功能获取老人当前位置的经纬度信息，并将经纬度信息通过MQTT协议发给微信小程序，微信小程序将接收到的经纬度信息绑定为初始位置，在微信小程序的地图显示模块中显示出以初始位置为中心，半径为5 km的圆形范围内为老人的正常活动范围，超出此范围将会进行警报。
2.2.2位置更新功能
通过微信小程序绑定功能按键——更新位置，向主控芯片发送JSON格式指令，主控芯片在接收到后解析命令，反馈地理数据给微信小程序，微信小程序接收数据后在地图模块上显示当前位置的信标点，并且将地址逆解析到位置显示框上呈现出来。
2.2.3老人摔倒三级报警功能
在微信小程序内置功能中，定义一个摔倒报警定时器。定时器的作用在于当老人摔倒时，微信小程序会接收到主控芯片发送的一级报警指令后，开始计时5 min。若在5 min后没有接收到报警取消指令，则微信小程序对主控芯片发送二级报警指令。此后，主控芯片获取当前摔倒位置并小程序上弹出警告窗口，若老人摔倒后10 min后仍未收到报警取消指令，则微信小程序对主控芯片发送三级报警指令，控制主控芯片电话呼救医护人员，并再次在微信小程序上进行弹窗警告。
2.2.4老人久留提醒功能
在微信小程序中定义FirstLocation和SecondLocation两个地理变量。FirstLocation地理变量用于存储除初始位置外第一次接收到的经纬度信息，5 min后SecondLocation地理变量用于存储下一次所获得的经纬度信息，并与FirstLocation地理变量进行比对。将误差控制在5 m内，若两次经纬度信息比对相同，则在微信小程序上进行弹窗警示，并发送久留提醒指令控制主控芯片进行语音播报，提醒老人已在此地逗留时间过长。
2.2.5定位模式切换功能
郊区定位按键用于选择设备的定位模式。由于在城市区域基站覆盖范围广、通信信号强，因此在关闭按键的情况下默认使用基站定位；而处于郊区或者基站信号弱的地方，开启郊区定位按键切换为GPS定位模式，保证在微信小程序上实时显示老人当前活动位置。微信小程序程序框图如图4所示。
3外观设计
该设计由长75 mm、宽60 mm、高10 mm的盖体和长65 mm、宽54 mm、高35 mm的盒体组成。通过Solid‐Work建模和3D打印技术，采用PLA热塑性塑料打印出用于保护智能拐杖设备的外壳，使其能固定在拐杖上。可将老人的相关信息打印在盖体表面上，当出现意外时救援人员能第一时间得知老人的身份信息。盖体有4组扬声孔，保证系统与外界的音频传播过程中不受干扰。盒体侧面的两个长方形孔用于固定盒体和盖体，同时盒体和盖体两侧都有位置相同、大小相等的圆孔，能进一步加固两者之间的紧密度，即使老人摔倒后外壳依然能保障主控系统的正常运行。魔术贴可横穿盒体底面的两个长方孔，用于将设备固定在拐杖上，形成一个可调节松紧度的圆环，以适应于安装在不同尺寸、不同型号的拐杖上。整体外壳能保障老人摔倒后主控系统的正常运行；使主控系统在阴雨、炎热等不同的户外天气情况下，依然能保持正常工作。智能拐杖设备保护外壳设计如图5所示。
4测试验证与结果分析
4.1 Air820系统测试
4.1.1供电电压测试
在室温25℃的条件下，通过UTD2102CEX示波器测得ETA6002电源管理芯片的输出平均电压纹波为4 mV。在接入5 V USB供电且没有接入电池的情况下输出电压为4.5 V，因此智能拐杖设备不可在此情况下长时间工作。在接入5 V USB供电且接入电池的情况下输出电压为4.2 V，符合Air820UG主控芯片的正常供电范围。此外，ETA6002电源管理芯片在只接入电池的情况下输出电压为电池电压，同样符合Air820UG正常供电范围。设备启动电流为207 mA，正常工作电流为58 mA。
4.1.2硬件功能测试
语音呼叫功能：室内条件下，在距离智能拐杖设备7 m的范围内，可识别出预设的关键字并触发主控芯片外部中断，10 s后拨通相应联系人号码。
摔倒报警功能：经测试，当老人摔倒时智能拐杖设备的横滚角超过50°，此时通过GY-25T运动处理传感器将主控芯片的IO口置为低电平。主控芯片执行摔倒报警程序，首先向微信小程序发送一级报警指令，并在1 s内通过扬声器进行语音呼救。5min后若智能拐杖设备的滚转角仍然超过50°时，设备将在1s内获取当前摔倒位置并发送给微信小程序。10 min后若智能拐杖设备的滚转角仍然超过50°时，设备在10 s内拨通紧急联系号码。智能拐杖设备实物如图6所示。
4.2微信小程序控制端测试
微信小程序控制系统由3个模块构成，基础信息显示模块、功能按键模块、地址解析模块。智能拐杖设备启动后发送连接信号至微信小程序，用于验证设备和程序之间是否连接成功。连接成功后，微信小程序控制端给设备发送初始化请求，基础信息显示模块获取设备当前电量、设备所在城市等初始数值，并进行绑定显示。功能模块的4个功能按键绑定了对应的功能函数。微信小程序控制界面如图7所示。
位置初始：在使用基站定位模式下，按键按下后3 s内设备向微信小程序发送经纬度位置信息，并在微信小程序控制端的地图上以中心点的形式显示。
郊区定位：此功能按键用于切换基站定位模式和GPS定位模式。
更新位置：在按下按键之后，设备重新获取一次经纬度位置信息并发送至微信小程序控制端，微信小程序控制端接收后以活动点的形式显示，同时进行相应的地址解析显示在地址框内。
摔倒提醒：此功能默认为开启状态。经测试，当设备触发报警时会发送报警信号，微信小程序控制端接收后并进行弹窗提醒和摔倒计时。当计时结束后，若报警信号仍未被取消，则继续执行二级至三级相应的报警程序。
地址解析模块：经测试，在收到设备的经纬度位置信息时，地址解析模块能将位置解析精确到所在街道。
5结束语
本设计通过Air820UG单片机实现对智能拐杖设备的控制，搭配GY-25T运动处理传感器实时监测老人是否摔倒、SU-03T离线语音识别模组实现语音呼叫功能。主控芯片内部集成了GPS定位功能，同时与SIM卡的基站定位功能配合使用，提高定位的精确度。使用MQTT通讯协议，将经纬度、摔倒报警命令、电池电量等数据发送给微信小程序，子女使用微信小程序查看老人当前状态和对智能拐杖设备的远程控制。本文针对老人出行时所遇到的摔倒而无人帮助、走失而无人知晓、遇事而无法联系子女等情况，提供安全、可靠的解决方案。着力保障老人的出行安全。智能拐杖设备的应用与推广能改变我国老人传统的出行方式，助力“互联网+”养老新模式的发展，具有社会价值和研究意义。
参考文献：
[1]张晨霞,李荣林.人口老龄化、数字经济与经济高质量发展[J].经济经纬,2022,39(5):3-13.
[2]余晓艳,赵银侠.我国智慧养老政策发展及实践问题研究[J].西安建筑科技大学学报(社会科学版),2018,37(5):42-48.
[3]郑洁,杨庆军,洪荣惠,等.某院2590例老年人损伤外部原因及损伤部位分析[J].中国病案,2011,12(11):47-49.
[4]董立国,王文蓉.基于多通信技术的关爱老人助手设计与实现[J].机电工程技术,2022,51(6):82-86.
[5]洪亭轩,薛玉利.基于单片机的多功能智能拐杖设计[J].物联网技术,2019,9(3):77-78.
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