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(jù)傘的結(jié)構(gòu)，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)，實現(xiàn)了定位短信求助、暖手、GPS定位和簡易方向?qū)Ш降裙δ堋Ｏ到y(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亟須解決的問題。配合智慧城市的建設，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，專門針對老年人設計的智能多功能晴雨傘亟待出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)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，可以實現(xiàn)定位短信求助、GPS定位、簡易方向?qū)Ш健⑴值裙δ堋?/p>

1.1 系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)設計

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(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，若溫度低于設定值，則啟動碳纖維發(fā)熱體加熱傘柄。

1.2.2 軟件編程設計

MCU主要依靠系統(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。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。