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(shè)計與制作。根據(jù)傘的結(jié)構(gòu)，該設(shè)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)，實現(xiàn)了定位短信求助、暖手、GPS定位和簡易方向?qū)Ш降裙δ?。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能較為完善，成本相對較低。經(jīng)測試表明系統(tǒng)功能基本實現(xiàn)，且運行較為穩(wěn)定可靠。
0 引言
社會人口老齡化嚴重，一對年輕夫妻目前需要照顧的老年人數(shù)量正逐步增加，老年人看護難的問題日益嚴重。老年人的生活護理和健康保障是城市建設(shè)亟須解決的問題。配合智慧城市的建設(shè)，運用現(xiàn)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，專門針對老年人設(shè)計的智能多功能晴雨傘亟待出現(xiàn)。
1 系統(tǒng)的設(shè)計
本設(shè)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，可以實現(xiàn)定位短信求助、GPS定位、簡易方向?qū)Ш?、暖手等功能?/p>
1.1 系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于雨傘結(jié)構(gòu)本身的局限性，其安裝系統(tǒng)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、操作簡單和易于更換等條件。設(shè)計上，針對如何去增大電路板面積以適應(yīng)集成各功能電路，提出在傘柄內(nèi)采用圓柱形電路。針對如何降低系統(tǒng)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，可望做到簡約美觀。
本系統(tǒng)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(nèi)嵌進傘柄，如圖1(b)所示。
LED顯示屏(50mm*30mm)設(shè)計在傘柄的上部，可以進行90°的旋轉(zhuǎn)，大大縮小系統(tǒng)體積，如圖1(c)所示。顯示屏旋轉(zhuǎn)接口處采用柔性電路板，如圖1(d)所示，實現(xiàn)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圍，并用塑料膜封裝。用內(nèi)置的溫度傳感器進行檢測，傘柄自動升溫，可實現(xiàn)暖手功能，更人性化地體貼老年人。
系統(tǒng)采用按鍵實現(xiàn)人機交互。僅選用的三個大按鍵，豎直整體內(nèi)嵌在傘柄的一側(cè)，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，可更好地實現(xiàn)防摔、防水。
1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計
1.2.1 硬件電路模塊設(shè)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發(fā)送定位求助短信，同時可通過運用方向算法處理磁阻傳感器產(chǎn)生的磁場信號，并對GPS模塊接收到的位置信號和終點的位置信號進行計算，得出方向信號，最后通過LED顯示屏呈現(xiàn)方向，達到導航的效果。MCU通過溫度傳感器實現(xiàn)對外界溫度的測量，若溫度低于設(shè)定值，則啟動碳纖維發(fā)熱體加熱傘柄。
1.2.2 軟件編程設(shè)計
MCU主要依靠系統(tǒng)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部分。系統(tǒng)循環(huán)檢測按鍵和手柄溫度。按鍵按下后，系統(tǒng)執(zhí)行對應(yīng)的定位、導航和短信求救中的一個功能，執(zhí)行完畢繼續(xù)循環(huán)檢測按鍵。系統(tǒng)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(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 GPS定位
GPS模塊通過天線捕捉GPS衛(wèi)星信號極小的電磁波并轉(zhuǎn)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。若信號無效，MCU則選擇丟棄;若信號有效，MCU模塊從GPS數(shù)據(jù)中提取該處的位置信息，并存儲到MCU內(nèi)部的EEPROM中，作為導航的終點。
2.2 簡易方向?qū)Ш?/strong>
磁阻傳感器的磁阻元件會形成一個共同的敏感軸，有3個相互正交的敏感軸分別指向XYZ方向。MCU通過I?C總線讀出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)生的磁場信號和GPS模塊接收到的位置信號以及終點的位置信號，得出前往終點的方向信號，并通過LED顯示屏呈現(xiàn)出前進的方向箭頭，從而實現(xiàn)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，然后將這兩個距離代入反正切函數(shù)，得到以東方為基準，當前位置和目的地連線順時針旋轉(zhuǎn)和東方形成的夾角。接著，將磁場傳感器返回的XY方向的數(shù)據(jù)代入反正切函數(shù)，得到以東方為基準，正前方順時針旋轉(zhuǎn)和東方形成的夾角。將兩個角度相減，得到以正前方為基準，當前位置和目的地連線順時針旋轉(zhuǎn)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，移動過程中不斷更新方向。當用戶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，系統(tǒng)則認為用戶已經(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，系統(tǒng)通過處理GPS信號得到該處的位置信息，并通過GSM模塊向指定的手機用戶發(fā)送具有老年人精確地理位置的求助短信;當接收的GPS信號無效時，系統(tǒng)將直接通過GSM模塊向指定的手機用戶發(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(zhuǎn)換效率高。
系統(tǒng)運行后，內(nèi)置溫度傳感器對環(huán)境溫度進行檢測。當溫度低于20°C時，MCU啟動加熱模塊，碳纖維發(fā)熱體正負極通電，短時間內(nèi)，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。由于碳纖維內(nèi)嵌于塑料層中，密封性能好，保溫效果顯著。
3 測試數(shù)據(jù)
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，顯示屏會顯示“OK”字樣;若定位無效，則顯示屏會顯示“X”字樣。10s以后，按下“短信求助”按鍵，20s內(nèi)，目的手機會接收到系統(tǒng)發(fā)過來的短信。若定位成功，手機接收到的信息內(nèi)容為該位置的經(jīng)緯度，以谷歌地球搜索到該地點經(jīng)緯度作為理論經(jīng)緯度，兩者對比以后，得到距離誤差。若定位無效，手機接收到的信息內(nèi)容為“I need help”的語句。定位與短信求助功能測試數(shù)據(jù)，如表1所示。
(注：表中測試數(shù)據(jù)的地點為暨南大學本部;測試時間為2013—10—21)
表1表明，在相對開放的環(huán)境下，系統(tǒng)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(tǒng)無法獲取所在環(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(shù)據(jù)
在表2中的終點預(yù)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)過表2中的五個測試地點并記錄顯示屏箭頭指示的方向，導航數(shù)據(jù)如表2所示。
3.3 發(fā)熱模塊測試數(shù)據(jù)
于傘柄上部、下部兩個位置，使用紅外測溫儀進行發(fā)熱模塊啟動前后的溫度測試，計算溫度平均值，并使用計時器測量系統(tǒng)加熱時間以及保溫時間，具體數(shù)值如表3所示。
表3說明了碳纖維發(fā)熱體較高的轉(zhuǎn)換效率以及該系統(tǒng)良好的保溫特性。
經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析，說明本設(shè)計各方面指標均能夠達到要求，性能穩(wěn)定。
4 結(jié)束語
本設(shè)計根據(jù)傘的基本結(jié)構(gòu)，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(shè)計實現(xiàn)了簡易的方向?qū)Ш焦δ?，短信求助以及天冷時暖手的功能，且操作簡單、成本低。智能傘可讓老年人家人及時知曉老年人外出時的情況。同時本設(shè)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(shè)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。
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