老年人智能多功能晴雨傘

摘要：文章描述一種基于MCU控制技術(shù)、GSM技術(shù)、傳感器技術(shù)和GPS定位導航技術(shù)的老年人智能多功能晴雨傘的設計與制作。根據傘的結構，該設計提出采用圓柱形電路板，可折疊式顯示屏以及柔性電路板等工藝技術(shù)，實(shí)現了定位短信求助、暖手、GPS定位和簡(jiǎn)易方向導航等功能。系統結構簡(jiǎn)單，功能較為完善，成本相對較低。經(jīng)測試表明系統功能基本實(shí)現，且運行較為穩定可靠。

0 引言

社會(huì )人口老齡化嚴重，一對年輕夫妻目前需要照顧的老年人數量正逐步增加，老年人看護難的問(wèn)題日益嚴重。老年人的生活護理和健康保障是城市建設亟須解決的問(wèn)題。配合智慧城市的建設，運用現代科技為老人提供舒適、安全、便利的生活護理方式存在迫切的需求。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。老人出行依靠的雨傘目前大多只有遮雨的功能，因此，專(zhuān)門(mén)針對老年人設計的智能多功能晴雨傘亟待出現。

1 系統的設計

本設計提出的老年人智能多功能晴雨傘主要由MCU控制模塊、GSM模塊、傳感器模塊、GPS模塊、加熱模塊等組成，可以實(shí)現定位短信求助、GPS定位、簡(jiǎn)易方向導航、暖手等功能。

1.1 系統外觀(guān)結構設計

由于雨傘結構本身的局限性，其安裝系統成了一大難題。從傘面、傘骨和傘柄三大部分考慮，傘柄更具有合適的體積、操作簡(jiǎn)單和易于更換等條件。設計上，針對如何去增大電路板面積以適應集成各功能電路，提出在傘柄內采用圓柱形電路。針對如何降低系統對傘柄體積的要求，提出采用可折疊式顯示屏以及柔性電路板，可望做到簡(jiǎn)約美觀(guān)。

本系統采用圓柱形電路板(r=20mm，h=100mm)，并把主要硬件集成于傘柄下部里面，如圖1(a)所示。GPS接收引擎(13.9mm*15.0mm)、GSM集成模塊(34.0mm*25.0mm)和控制中心(15.1mm*12.5mm)等主要電路，相對于圓柱形電路板較大的表面積，可以輕易內嵌進(jìn)傘柄，如圖1(b)所示。

LED顯示屏(50mm*30mm)設計在傘柄的上部，可以進(jìn)行90°的旋轉，大大縮小系統體積，如圖1(c)所示。顯示屏旋轉接口處采用柔性電路板，如圖1(d)所示，實(shí)現顯示模塊和主控制器的通信。

加熱模塊采用的碳纖維包裹在傘柄的周?chē)?，并用塑料膜封裝。用內置的溫度傳感器進(jìn)行檢測，傘柄自動(dòng)升溫，可實(shí)現暖手功能，更人性化地體貼老年人。

系統采用按鍵實(shí)現人機交互。僅選用的三個(gè)大按鍵，豎直整體內嵌在傘柄的一側，如圖1(e)所示，其更能適合老年人的使用習慣。

電子器件涂上加固膠水，電路板涂上防水膠，傘柄外圍添加防水膜，可更好地實(shí)現防摔、防水。

1.2 系統功能設計

1.2.1 硬件電路模塊設計

硬件電路模塊框圖如圖2所示，MCU在GPS模塊接收到有效的GPS信號后，可控制GSM模塊向指定的手機用戶(hù)發(fā)送定位求助短信，同時(shí)可通過(guò)運用方向算法處理磁阻傳感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號，并對GPS模塊接收到的位置信號和終點(diǎn)的位置信號進(jìn)行計算，得出方向信號，最后通過(guò)LED顯示屏呈現方向，達到導航的效果。MCU通過(guò)溫度傳感器實(shí)現對外界溫度的測量，若溫度低于設定值，則啟動(dòng)碳纖維發(fā)熱體加熱傘柄。

1.2.2 軟件編程設計

MCU主要依靠系統工作流程圖工作，如圖3所示。流程圖可分為定位、導航、求救短信和溫控加熱四個(gè)部分。系統循環(huán)檢測按鍵和手柄溫度。按鍵按下后，系統執行對應的定位、導航和短信求救中的一個(gè)功能，執行完畢繼續循環(huán)檢測按鍵。系統循環(huán)檢測手柄溫度、控制發(fā)熱體，使手柄溫度保持在20～43℃之間。

2 系統的實(shí)現

2.1 GPS定位

GPS模塊通過(guò)天線(xiàn)捕捉GPS衛星信號極小的電磁波并轉為微弱的電流，并將該信號傳至接收模塊。GPS接收模塊處理該信號后傳送給MCU，由MCU判斷接收的GPS信號是否有效。若信號無(wú)效，MCU則選擇丟棄;若信號有效，MCU模塊從GPS數據中提取該處的位置信息，并存儲到MCU內部的EEPROM中，作為導航的終點(diǎn)。

2.2 簡(jiǎn)易方向導航

磁阻傳感器的磁阻元件會(huì )形成一個(gè)共同的敏感軸，有3個(gè)相互正交的敏感軸分別指向XYZ方向。MCU通過(guò)I?C總線(xiàn)讀出XY方向的坐標信息，并利用角度算法處理由磁阻傳感器處理產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號和GPS模塊接收到的位置信號以及終點(diǎn)的位置信號，得出前往終點(diǎn)的方向信號，并通過(guò)LED顯示屏呈現出前進(jìn)的方向箭頭，從而實(shí)現導航的功能。

所述方向算法的具體計算方式為：將目的地的經(jīng)度和緯度分別減去當前位置的經(jīng)度和緯度，再乘上經(jīng)緯度每變化1°所改變的距離。上述計算可得到目的地與當前位置在南北方向和東西方向的距離，然后將這兩個(gè)距離代入反正切函數，得到以東方為基準，當前位置和目的地連線(xiàn)順時(shí)針旋轉和東方形成的夾角。接著(zhù)，將磁場(chǎng)傳感器返回的XY方向的數據代入反正切函數，得到以東方為基準，正前方順時(shí)針旋轉和東方形成的夾角。將兩個(gè)角度相減，得到以正前方為基準，當前位置和目的地連線(xiàn)順時(shí)針旋轉和正前方形成的夾角。

得知夾角和基準方向以后，LED顯示屏將方向以箭頭圖案顯示出來(lái)，移動(dòng)過(guò)程中不斷更新方向。當用戶(hù)所在位置跟目的地經(jīng)緯度相差都小于0.04”，即大約5m到10m時(shí)，系統則認為用戶(hù)已經(jīng)到達目的地，LED顯示屏顯示“OK”字樣。

2.3 定位短信求助

該功能選用TC35集成模塊，對GSM信號的捕抓敏感，通信質(zhì)量好。

MCU通過(guò)判斷GPS模塊接收的GPS信號是否有效，向GSM模塊發(fā)送不同的AT指令。當接收的GPS信號有效時(shí)，系統通過(guò)處理GPS信號得到該處的位置信息，并通過(guò)GSM模塊向指定的手機用戶(hù)發(fā)送具有老年人精確地理位置的求助短信;當接收的GPS信號無(wú)效時(shí)，系統將直接通過(guò)GSM模塊向指定的手機用戶(hù)發(fā)送求助短信(“I need help”)。

2.4 暖手

該功能所選用的碳纖維發(fā)熱體，升溫迅速，電熱轉換效率高。

系統運行后，內置溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行檢測。當溫度低于20°C時(shí)，MCU啟動(dòng)加熱模塊，碳纖維發(fā)熱體正負極通電，短時(shí)間內，溫度上升至約43℃，停止加熱。待溫度降至20℃以下，發(fā)熱模塊再次啟動(dòng)。由于碳纖維內嵌于塑料層中，密封性能好，保溫效果顯著(zhù)。

3 測試數據

3.1 定位與短信求助功能測試

在所選的位置，按下“定位”按鍵，若定位成功，顯示屏會(huì )顯示“OK”字樣;若定位無(wú)效，則顯示屏會(huì )顯示“X”字樣。10s以后，按下“短信求助”按鍵，20s內，目的手機會(huì )接收到系統發(fā)過(guò)來(lái)的短信。若定位成功，手機接收到的信息內容為該位置的經(jīng)緯度，以谷歌地球搜索到該地點(diǎn)經(jīng)緯度作為理論經(jīng)緯度，兩者對比以后，得到距離誤差。若定位無(wú)效，手機接收到的信息內容為“I need help”的語(yǔ)句。定位與短信求助功能測試數據，如表1所示。

(注：表中測試數據的地點(diǎn)為暨南大學(xué)本部;測試時(shí)間為2013—10—21)

表1表明，在相對開(kāi)放的環(huán)境下，系統能夠成功定位并較準確地獲取所在位置的經(jīng)緯度;在封閉的環(huán)境下，天花板嚴重影響了GPS接收信息的質(zhì)量，系統無(wú)法獲取所在環(huán)境的經(jīng)緯度，但依然能夠成功向指定手機發(fā)送求助信息。

3.2 導航測試數據

在表2中的終點(diǎn)預先按下“定位”鍵，將其經(jīng)緯度儲存在EEEPROM中。按下“導航”鍵，依次經(jīng)過(guò)表2中的五個(gè)測試地點(diǎn)并記錄顯示屏箭頭指示的方向，導航數據如表2所示。

3.3 發(fā)熱模塊測試數據

于傘柄上部、下部?jì)蓚€(gè)位置，使用紅外測溫儀進(jìn)行發(fā)熱模塊啟動(dòng)前后的溫度測試，計算溫度平均值，并使用計時(shí)器測量系統加熱時(shí)間以及保溫時(shí)間，具體數值如表3所示。

表3說(shuō)明了碳纖維發(fā)熱體較高的轉換效率以及該系統良好的保溫特性。

經(jīng)過(guò)測試數據分析，說(shuō)明本設計各方面指標均能夠達到要求，性能穩定。

4 結束語(yǔ)

本設計根據傘的基本結構，提出采用圓柱形電路板、可折疊式顯示屏以及柔性電路板等，把GPS功能電路、GSM功能電路、磁阻傳感器以及LED顯示屏等巧妙地集成在了雨傘中。本設計實(shí)現了簡(jiǎn)易的方向導航功能，短信求助以及天冷時(shí)暖手的功能，且操作簡(jiǎn)單、成本低。智能傘可讓老年人家人及時(shí)知曉老年人外出時(shí)的情況。同時(shí)本設計可正確為老年人指示回家的方向，減輕了家人對老年人的照看壓力。另外，傘柄中碳纖維發(fā)熱體可給老年人帶去更人性化服務(wù)。本設計為老年人提供舒適安全的智能生活方式提出了一種有益的嘗試。