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1、10申请公布号CN104257048A43申请公布日20150107CN104257048A21申请号201410460857122申请日20140911A45B3/00200601H04L29/0820060171申请人浙江大学地址310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号72发明人李石坚叶振宇潘纲吴朝晖74专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限公司33224代理人胡红娟54发明名称一种基于智能拐杖的老年人辅助系统57摘要本发明公开了一种基于智能拐杖的老年人辅助系统，以拐杖作为载体，包括硬件底层、中间服务层和应用层；该系统通过对周边衍生设备进行基于数据和功能的管理，将这些周边设备的感知能力和交。
2、互能力封装成面向上层应用的服务，并向上层应用层提供统一的服务接口，从而屏蔽了硬件层次的异构性；系统的中间服务层高度模块化、松耦合，提高了系统的可拓展性，支持后期新设备的不断接入，上层应用通过组装调用这些既有的服务开发新的应用，以动态拓展本系统的功能。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图1页10申请公布号CN104257048ACN104257048A1/1页21一种基于智能拐杖的老年人辅助系统，以拐杖作为载体，其特征在于包括硬件底层、中间服务层和应用层；所述的硬件底层包括加速度传感器、GPS接收器、超声波收发。
3、器和无线通信模块；所述的中间服务层针对硬件底层中不同的硬件设备，为硬件设备规定与其适配的接口和封装方式，并接收硬件设备提供的信息且对这些信息进行解析和预处理，以向应用层提供对应的服务；所述的应用层对中间服务层提供的各种服务进行组装调用，以实现超声波距离避障、一键回家导航以及跌倒检测报警三项功能应用。2根据权利要求1所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的中间服务层以统一的接口把服务数据提供给应用层。3根据权利要求1所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的应用层包括避障应用单元、导航应用单元和跌倒检测应用单元。4根据权利要求1所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的硬件底层还包括智能手环、智能手表和智。
4、能织物，这些智能设备通过无线通信模块将信息传送给中间服务层。5根据权利要求3所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的避障应用单元包括距离估算模块，根据中间服务层提供的超声波服务，利用超声波发射信号及其经前方障碍物反射回波信号之间的时间差，计算出前方障碍物与拐杖之间的距离；语音预警模块，判断距离估算模块计算出的距离是否小于设定的距离阈值，若是，则语音提示前方有障碍物；振动预警模块，判断距离估算模块计算出的距离是否小于设定的距离阈值，若是，则启动振动预警。6根据权利要求3所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的导航应用单元包括导航路线请求模块，根据中间服务层提供的GPS服务，将当前的地理位置信息与预设。
5、的家庭地理位置信息转换成一条HTTP请求，并将该HTTP请求通过GPRS模块发送给第三方提供导航服务的云服务器，同时通过GPRS模块接收云服务器返回的导航路线；导航测算模块，根据中间服务层提供的GPS服务，将当前的地理位置信息与导航路线进行实时比对；语音提醒模块，根据导航测算模块的比对结果，当用户进入导航路线节点的预定距离范围内，语音提醒用户接下去的行走方向。7根据权利要求3所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的跌倒检测应用单元包括加速度检测模块，根据中间服务层提供的三轴加速度服务，通过分析三个轴上的加速度信息来判断拐杖的姿态；声音预警模块，根据拐杖的姿态判断用户是否跌倒，若是，则启动蜂鸣警报。
6、；无线报警模块，根据拐杖的姿态判断用户是否跌倒，若是，则启动短信收发功能，向预设的电话号码发送报警短信，告知指定监护人。8根据权利要求1所述的老年人辅助系统，其特征在于所述的中间服务层和应用层共同在具有运算、存储和通信能力的下位机平台上实现。权利要求书CN104257048A1/5页3一种基于智能拐杖的老年人辅助系统技术领域0001本发明属于计算机智能技术领域，具体涉及一种基于智能拐杖的老年人辅助系统。背景技术0002近年来，中国的老龄化问题日趋严重，老龄化的到来催生了老年辅助设备市场的兴起。这些老年辅助设备大到针对老年人的智能康复床，小到能够及时提醒用药的智能药盒。但面向老年人的辅助设备往往。
7、价格昂贵，功能单一，拓展性差，交互方式背离老年人所独有的生理特征，并没有为市场所广泛认同。0003另一方面，各种穿戴式设备不断涌现，其已经从实验阶段进入了商用阶段，应用范围涉及健康、增强现实、交际等等方面，具体的设备包括各种智能手环、智能手表、智能织物等。但是受限于这些智能设备有限的硬件资源，其功能相对单一、独立，彼此间无法进行方便的交互和协作，其强大的环境感知能力以及基于人体某一部位的交互手段并没有得到最大化的利用。0004目前，市场上存在一种智能拐杖产品可对人和障碍物进行探测，其包括包括把手和杖体，在把手上设置有控制装置和报警装置，杖体上设置有探测装置和电源；报警装置通过控制装置与探测装置。
8、电线连接，电源分别给报警装置、控制装置和探测装置供电。探测装置用于对人和障碍物进行探测；报警装置用于将探测装置探测到的信息反馈给使用者；控制装置接收探测装置的探测信号并传输给报警装置。该产品不仅拥有一般拐杖的功能，还能对周围的人和障碍物进行探测，并通过语音播报和振动提示告知拄拐人。在语音播报时可提示前方物体是人还是其它障碍物。虽然该产品起到了障碍物提醒功能，但此类产品提醒功能单一，并不具备播报语音提醒、跌倒报警及导航等功能，实用性差。0005市场上还存在一些跌倒报警等拐杖，但其报警方式大多是不停的发出警报声，同时报警时有LED灯闪烁，这样的报警方式只是能周围的人及时发现跌倒的老人，如果是老人是。
9、独自一人行走的情况，这样的报警方式便无法发挥作用，实用性差。再如，公开号为CN202069062U的专利公开的智能拐杖，是老人跌倒后手动求助和报警，以及需要手动按按钮才能拨打相应的电话，如果老人手脚不灵活，则很难实现老人跌倒报警，而且对于手脚不灵活的老人，有在正常行走没有摔倒的时候错按了报警键，导致误报警，特别是如果老人跌倒后或者跌倒后处于昏迷状况，根本无法实现跌倒报警。0006由此可见，现有技术主要存在以下几个缺陷00071智能化程度差，需要手动报警。00082功能单一，实用性差。00093误报率高，老人独自行走不慎摔倒时得不到亲属的帮助。发明内容0010针对现有技术所存在的上述技术问题，本。
10、发明提供了一种基于智能拐杖的老年人说明书CN104257048A2/5页4辅助系统，其以智能拐杖为中心，同时对周边衍生设备进行基于数据和功能的管理，并以统一的接口把数据和服务提供给上层应用，基于这些数据和服务开发应用，拓展系统功能。0011一种基于智能拐杖的老年人辅助系统，以拐杖作为载体，包括硬件底层、中间服务层和应用层；0012所述的硬件底层包括加速度传感器、GPS接收器、超声波收发器和无线通信模块；0013所述的中间服务层针对硬件底层中不同的硬件设备，为硬件设备规定与其适配的接口和封装方式，并接收硬件设备提供的信息且对这些信息进行解析和预处理，以向应用层提供对应的服务；0014所述的应用层。
11、对中间服务层提供的各种服务进行组装调用，以实现超声波距离避障、一键回家导航以及跌倒检测报警三项功能应用。0015所述的中间服务层以统一的接口把服务数据提供给应用层。0016所述的应用层包括避障应用单元、导航应用单元和跌倒检测应用单元。0017所述的硬件底层还包括智能手环、智能手表、智能织物等智能设备，这些智能设备通过无线通信模块将信息传送给中间服务层。0018所述的避障应用单元包括0019距离估算模块，根据中间服务层提供的超声波服务，利用超声波发射信号及其经前方障碍物反射回波信号之间的时间差，计算出前方障碍物与拐杖之间的距离；0020语音预警模块，判断距离估算模块计算出的距离是否小于设定的距离。
12、阈值，若是，则语音提示前方有障碍物；0021振动预警模块，判断距离估算模块计算出的距离是否小于设定的距离阈值，若是，则启动振动预警。0022所述的导航应用单元包括0023导航路线请求模块，根据中间服务层提供的GPS服务，将当前的地理位置信息与预设的家庭地理位置信息转换成一条HTTP请求，并将该HTTP请求通过无线通信模块发送给第三方提供导航服务的云服务器，同时通过无线通信模块接收云服务器返回的导航路线；0024导航测算模块，根据中间服务层提供的GPS服务，将当前的地理位置信息与导航路线进行实时比对；0025语音提醒模块，根据导航测算模块的比对结果，当用户进入导航路线节点的预定距离范围内，语音提。
13、醒用户接下去的行走方向。0026所述的跌倒检测应用单元包括0027加速度检测模块，根据中间服务层提供的三轴加速度服务，通过分析三个轴上的加速度信息来判断拐杖的姿态；0028声音预警模块，根据拐杖的姿态判断用户是否跌倒，若是，则启动蜂鸣警报；0029无线报警模块，根据拐杖的姿态判断用户是否跌倒，若是，则启动短信收发功能，向预设的电话号码发送报警短信，告知指定监护人。0030所述的中间服务层和应用层共同在具有运算、存储和通信能力的下位机平台上实现。0031所述的系统允许在硬件底层加入新的硬件设备，中间服务层按既有模式对新设备说明书CN104257048A3/5页5进行封装之后，将新设备的功能以服务。
14、的形式向应用层提供，应用层针对实际的需求对中间服务层提供的服务进行封装以拓展更多功能。0032本发明老年人辅助系统以智能拐杖为中心，同时对周边衍生设备进行基于数据和功能的管理，将这些周边设备的感知能力和交互能力封装成面向上层应用的服务，并向上层应用层提供统一的服务接口，从而屏蔽了硬件层次的异构性；系统的中间服务层高度模块化、松耦合，提高了系统的可拓展性，支持后期新设备的不断接入，上层应用通过组装调用这些既有的服务开发新的应用，以动态拓展本系统的功能。附图说明0033图1为本发明老年人辅助系统的结构示意图。0034图2为本发明中三类周边衍生设备的接入示意图。具体实施方式0035为了更为具体地描述。
15、本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。0036本发明老年人辅助系统，以智能拐杖为中心，其他周边衍生设备作为智能拐杖的延伸，通过为智能拐杖提供更强大和完善的传感感知能力和交互能力，通过新应用开发，拓展系统的功能。0037在本系统中，周围衍生设备通过蓝牙、WI、XBEE等方式与手机建立连接。这些周围设备可以是现有的智能手表、智能眼镜等，也可以是较底层的传感模块，其可以以小型下位机如ARDUINO为中介，与智能拐杖建立联系。0038如图1所示，本发明老年人辅助系统分为三个层次，从下往上依次为硬件底层、中间功能模块层以及应用层。整个系统的核心运行在基于嵌入式LINUX操作系。
16、统的PCDUINO下位机上。PCDUINO下位机是一种嵌入式实验板，相比较一般的实验板，其具有价格相对廉价，硬件性能强大，可拓展性强，对ARDUINO保持一定的兼容性等优势。0039硬件底层是系统的基础，我们采用了PCDUINOV2单片机，其自带有WI通信功能，并带有RJ45网线接口、USB接口可以进行系统拓展。在该单片机上，运行了嵌入式LINUX操作系统。我们的整个系统的软件层次基于JAVA，运行于JVM虚拟机之上，采用了OSGI开发框架。硬件底层主要是针对智能拐杖本身的基础模块配置驱动程序，为周围衍生设备配置通信协议和硬件接口等，以方便其接入。在这里，我们目前针对三类设备开发了不同的底层接。
17、入方式如图2所示。第一类为现有的周边穿戴式设备，这类设备往往自己就具有独立通信功能，只需要在系统中配置好双方的地址针对WI、XBEE等通信手段或者建立好设备间配对针对蓝牙等通信手段，两者即可建立连接，为中间功能模块层打好基础。第二类为串口通信设备，这类设备对外只提供了串口的通信方式，我们在硬件层面使用了RS232串口转USB模块作为桥梁，建立了下位机和设备之间的联系，在软件层次，我们使用RXTXCOMM模块为串口通信提供底层驱动。第三类为简易的传感模块，这类模块对外往往只提供了简易的TTL电平通讯方式或者是ANALOG模拟信号通讯方式，需要通过一系列的信号处理才能获得其传感数据。对于这类设备，。
18、我们以ARDUINO单片机作为数据处理和传输中介，设备直接接入ARDUINO，ARDUINO与PCDUINO通过串口的方式建立连接，从而间接地建立说明书CN104257048A4/5页6设备和核心下位机之间的通讯。0040中间功能模块层充分利用了OSGI的模块化开发特性，将硬件层的各种传感感知设备、交互设备都按照功能封装成一个个服务模块。0041针对GPS定位功能，我们在硬件底层已经按照串口通信的方式，将GPS接收器模块和PCDUINO下位机建立连接，且利用合适的驱动程序使得两者通讯正常。在中间功能模块层，GPS接收器所生成的定位信息，即NMEA0183协议封装的信息，我们在本层次对其进行解码。
19、，然后用JAVA类进行封装，使得上层应用在调用时，可以直接获取当前的经纬度以及其他可获得信息，从而规避了GPS模块的原始信息复杂性。0042针对电话短信和GPRS网络通信功能，其均依托于SIM900模块，和GPS接收器模块一样，其同样是采用串口通信的方式进行连接。但在中间功能模块层中，其是封装了一系列的AT串口指令以实现诸如拨打电话、收发短信、GPRS通信上网等功能。在当前层次对该模块进行功能封装后，上层应用不需要了解任何底层的AT命令，只需要调用相关的服务，即可实现电话短信、GPRS网络通信等功能。0043针对各种简易的传感感知模块，由于其使用的是简单的TTL电平输出或者是ANALOG模拟输。
20、出，因此我们采用ARDUINO单片机作为中介。在ARDUINO单片机上我们等待来自核心下位机的数据请求命令，当请求到来时，根据请求的要求，获得指定传感感知模块的数据信息，并经过预处理，然后通过串口发送到PCDUINO上以进行进一步的处理。此处的封装具有一定的通用性，实际上是针对适配ARDUINO单片机的一类传感感知模块的功能封装。其屏蔽了各种传感感知模块的异构性，同时借助当前ARDUINO开源平台下强大的感知能力，最大限度地拓展了本系统的基础设备来源。0044针对各种穿戴式设备，一般采用无线直连的方式建立通讯。由于这些穿戴式设备本身具有一定的程序功能，因此可以采用客户端服务器交互的方式，将穿戴。
21、式设备的环境感知能力和独特的交互能力封装起来，供上层应用调用。如针对ANDROID智能手表，可以在手表上部署简易的手势识别程序，在识别出手势后，将相关的命令通过无线等通信方式发送回PCDUINO下位机，从而为上层应用提供更强大的交互方式。0045在中间功能模块层中，所有的功能封装好后以服务的方式呈现，在本实施方式中，我们使用到了OSGI框架自带的服务注册和消费机制。系统启动后，将扫描预设的功能列表，对已经在硬件底层建立好连接的模块进行封装后，再行服务化，并进行自动的注册，以供上层应用消费。所有的模块在OSGI框架中都是以BUNDLE的形式呈现。0046在应用层中，应用可以通过组装中间功能模块层。
22、提供的各种服务以实现应用的功能，从而达到拓展智能拐杖功能的目的。这些应用同样以BUNDLE的形式呈现。在本实施方式中，我们给出了超声波距离避障、一键回家导航以及跌倒检测三个智能拐杖预设的功能。0047超声波距离避障使用了超声波发射器和超声波接收器，用户开启超声波距离避障功能后，安装在智能拐杖上的超声波模块发射装置向前方发射超声波，并开始计时。与发射装置安装在同一位置的超声波模块接收装置从计时开始后实时地接收超声波的回波，一旦接收到回波，则停止计时。计算获得发送和接受超声波两者的时间差，结合超声波在空气中的传播速度，计算出障碍物体与拐杖之间的距离。计算公式为时间差超声波在空气中的传播速度/2。判。
23、断计算出的距离是否小于预警阈值，若小于，则调用声音反馈服务通过外放音频设备或者耳机向用户提示障碍物，调用振动反馈服务，通过拐杖顶部的振动向用户发说明书CN104257048A5/5页7出提示。0048一键回家导航用到了GPS接收器模块、GPRS通信模块。用户在使用该功能前，需要预设家庭的具体位置。预设可以使用智能手机无线接入下位机进行设置。连入方式可以采用蓝牙。这里需要在智能手机上开发一个程序，用于预设。用户按下对应的功能键后，开始导航。GPS接收器模块获取当前用户所在的位置。应用将当前位置和家庭位置组装成一个HTTP服务请求，通过GPRS通信模块发送到云端，调用第三方导航接口获取导航路线，在。
24、本实施方式中我们使用的是百度的导航API，其返回基于JSON的导航路径结果。对结果我们要进行重新组织整理。在导航过程中，随着人的走动，应用实时获取GPS定位位置，并与导航路线信息进行比照。当进入路线节点若路口拐弯等一定距离范围内时，通过声音和振动反馈，提示下一步的行走方式，如左转右转等，并告知下一路段的距离长度。直到到达目的地。0049跌倒检测功能主要使用到了三轴加速度模块。三轴加速度模块实时获取基于智能拐杖的三个轴向的姿态信息，并进行处理，判断智能拐杖的姿态。这里需要预先确定三轴加速度的三个轴向的基准数据，如当以Z轴为背向大地的右手参考系为基准，则Z轴的基准为98G，X轴与Y轴的基准均为0。结合姿态信息的历史数据，若拐杖发生倾倒，判断拐杖的倾倒方式，若可能为老年人摔倒造成的倾倒，则调用蜂鸣器报警服务向路人发出警报。这里可以认为当X轴或Y轴出现较大的绝对数值，Z轴的数值趋向于0G，且该状态维持一定时间没有恢复，则可以判定可能出现了摔倒的情况。说明书CN104257048A1/1页8图1图2说明书附图CN104257048A。