老年人智能多功能晴雨伞

摘要：文章描述一种基于MCU控制技术、GSM技术、传感器技术和GPS定位导航技术的老年人智能多功能晴雨伞的设计与制作。根据伞的结构，该设计提出采用圆柱形电路板，可折叠式显示屏以及柔性电路板等工艺技术，实现了定位短信求助、暖手、GPS定位和简易方向导航等功能。系统结构简单，功能较为完善，成本相对较低。经测试表明系统功能基本实现，且运行较为稳定可靠。

0 引言

社会人口老龄化严重，一对年轻夫妻目前需要照顾的老年人数量正逐步增加，老年人看护难的问题日益严重。老年人的生活护理和健康保障是城市建设亟须解决的问题。配合智慧城市的建设，运用现代科技为老人提供舒适、安全、便利的生活护理方式存在迫切的需求。老年人出行经常存在诸多不便，特别是下雨天气，更是给老人带去极大的不便甚至危险。老人出行依靠的雨伞目前大多只有遮雨的功能，因此，专门针对老年人设计的智能多功能晴雨伞亟待出现。

1 系统的设计

本设计提出的老年人智能多功能晴雨伞主要由MCU控制模块、GSM模块、传感器模块、GPS模块、加热模块等组成，可以实现定位短信求助、GPS定位、简易方向导航、暖手等功能。

1.1 系统外观结构设计

由于雨伞结构本身的局限性，其安装系统成了一大难题。从伞面、伞骨和伞柄三大部分考虑，伞柄更具有合适的体积、操作简单和易于更换等条件。设计上，针对如何去增大电路板面积以适应集成各功能电路，提出在伞柄内采用圆柱形电路。针对如何降低系统对伞柄体积的要求，提出采用可折叠式显示屏以及柔性电路板，可望做到简约美观。

本系统采用圆柱形电路板(r=20mm，h=100mm)，并把主要硬件集成于伞柄下部里面，如图1(a)所示。GPS接收引擎(13.9mm*15.0mm)、GSM集成模块(34.0mm*25.0mm)和控制中心(15.1mm*12.5mm)等主要电路，相对于圆柱形电路板较大的表面积，可以轻易内嵌进伞柄，如图1(b)所示。

LED显示屏(50mm*30mm)设计在伞柄的上部，可以进行90°的旋转，大大缩小系统体积，如图1(c)所示。显示屏旋转接口处采用柔性电路板，如图1(d)所示，实现显示模块和主控制器的通信。

加热模块采用的碳纤维包裹在伞柄的周围，并用塑料膜封装。用内置的温度传感器进行检测，伞柄自动升温，可实现暖手功能，更人性化地体贴老年人。

系统采用按键实现人机交互。仅选用的三个大按键，竖直整体内嵌在伞柄的一侧，如图1(e)所示，其更能适合老年人的使用习惯。

电子器件涂上加固胶水，电路板涂上防水胶，伞柄外围添加防水膜，可更好地实现防摔、防水。

1.2 系统功能设计

1.2.1 硬件电路模块设计

硬件电路模块框图如图2所示，MCU在GPS模块接收到有效的GPS信号后，可控制GSM模块向指定的手机用户发送定位求助短信，同时可通过运用方向算法处理磁阻传感器产生的磁场信号，并对GPS模块接收到的位置信号和终点的位置信号进行计算，得出方向信号，最后通过LED显示屏呈现方向，达到导航的效果。MCU通过温度传感器实现对外界温度的测量，若温度低于设定值，则启动碳纤维发热体加热伞柄。

1.2.2 软件编程设计

MCU主要依靠系统工作流程图工作，如图3所示。流程图可分为定位、导航、求救短信和温控加热四个部分。系统循环检测按键和手柄温度。按键按下后，系统执行对应的定位、导航和短信求救中的一个功能，执行完毕继续循环检测按键。系统循环检测手柄温度、控制发热体，使手柄温度保持在20～43℃之间。

2 系统的实现

2.1 GPS定位

GPS模块通过天线捕捉GPS卫星信号极小的电磁波并转为微弱的电流，并将该信号传至接收模块。GPS接收模块处理该信号后传送给MCU，由MCU判断接收的GPS信号是否有效。若信号无效，MCU则选择丢弃;若信号有效，MCU模块从GPS数据中提取该处的位置信息，并存储到MCU内部的EEPROM中，作为导航的终点。

2.2 简易方向导航

磁阻传感器的磁阻元件会形成一个共同的敏感轴，有3个相互正交的敏感轴分别指向XYZ方向。MCU通过I?C总线读出XY方向的坐标信息，并利用角度算法处理由磁阻传感器处理产生的磁场信号和GPS模块接收到的位置信号以及终点的位置信号，得出前往终点的方向信号，并通过LED显示屏呈现出前进的方向箭头，从而实现导航的功能。

所述方向算法的具体计算方式为：将目的地的经度和纬度分别减去当前位置的经度和纬度，再乘上经纬度每变化1°所改变的距离。上述计算可得到目的地与当前位置在南北方向和东西方向的距离，然后将这两个距离代入反正切函数，得到以东方为基准，当前位置和目的地连线顺时针旋转和东方形成的夹角。接着，将磁场传感器返回的XY方向的数据代入反正切函数，得到以东方为基准，正前方顺时针旋转和东方形成的夹角。将两个角度相减，得到以正前方为基准，当前位置和目的地连线顺时针旋转和正前方形成的夹角。

得知夹角和基准方向以后，LED显示屏将方向以箭头图案显示出来，移动过程中不断更新方向。当用户所在位置跟目的地经纬度相差都小于0.04”，即大约5m到10m时，系统则认为用户已经到达目的地，LED显示屏显示“OK”字样。

2.3 定位短信求助

该功能选用TC35集成模块，对GSM信号的捕抓敏感，通信质量好。

MCU通过判断GPS模块接收的GPS信号是否有效，向GSM模块发送不同的AT指令。当接收的GPS信号有效时，系统通过处理GPS信号得到该处的位置信息，并通过GSM模块向指定的手机用户发送具有老年人精确地理位置的求助短信;当接收的GPS信号无效时，系统将直接通过GSM模块向指定的手机用户发送求助短信(“I need help”)。

2.4 暖手

该功能所选用的碳纤维发热体，升温迅速，电热转换效率高。

系统运行后，内置温度传感器对环境温度进行检测。当温度低于20°C时，MCU启动加热模块，碳纤维发热体正负极通电，短时间内，温度上升至约43℃，停止加热。待温度降至20℃以下，发热模块再次启动。由于碳纤维内嵌于塑料层中，密封性能好，保温效果显著。

3 测试数据

3.1 定位与短信求助功能测试

在所选的位置，按下“定位”按键，若定位成功，显示屏会显示“OK”字样;若定位无效，则显示屏会显示“X”字样。10s以后，按下“短信求助”按键，20s内，目的手机会接收到系统发过来的短信。若定位成功，手机接收到的信息内容为该位置的经纬度，以谷歌地球搜索到该地点经纬度作为理论经纬度，两者对比以后，得到距离误差。若定位无效，手机接收到的信息内容为“I need help”的语句。定位与短信求助功能测试数据，如表1所示。

(注：表中测试数据的地点为暨南大学本部;测试时间为2013—10—21)

表1表明，在相对开放的环境下，系统能够成功定位并较准确地获取所在位置的经纬度;在封闭的环境下，天花板严重影响了GPS接收信息的质量，系统无法获取所在环境的经纬度，但依然能够成功向指定手机发送求助信息。

3.2 导航测试数据

在表2中的终点预先按下“定位”键，将其经纬度储存在EEEPROM中。按下“导航”键，依次经过表2中的五个测试地点并记录显示屏箭头指示的方向，导航数据如表2所示。

3.3 发热模块测试数据

于伞柄上部、下部两个位置，使用红外测温仪进行发热模块启动前后的温度测试，计算温度平均值，并使用计时器测量系统加热时间以及保温时间，具体数值如表3所示。

表3说明了碳纤维发热体较高的转换效率以及该系统良好的保温特性。

经过测试数据分析，说明本设计各方面指标均能够达到要求，性能稳定。

4 结束语

本设计根据伞的基本结构，提出采用圆柱形电路板、可折叠式显示屏以及柔性电路板等，把GPS功能电路、GSM功能电路、磁阻传感器以及LED显示屏等巧妙地集成在了雨伞中。本设计实现了简易的方向导航功能，短信求助以及天冷时暖手的功能，且操作简单、成本低。智能伞可让老年人家人及时知晓老年人外出时的情况。同时本设计可正确为老年人指示回家的方向，减轻了家人对老年人的照看压力。另外，伞柄中碳纤维发热体可给老年人带去更人性化服务。本设计为老年人提供舒适安全的智能生活方式提出了一种有益的尝试。