陳學(xué)忠 周命凱

【摘 要】隨著我國(guó)老年人的逐漸增多，社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入人口老年化，老人們?cè)鯓幽茏屪优畟儼残牡墓ぷ?，怎樣能讓在百忙之中的子女們不?dān)心老人的安全，我們利用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造一個(gè)具有保暖，舒適，照明，定位，按摩，計(jì)步，語(yǔ)言，充電，智能提醒，摔倒報(bào)警于一體的多功能智能守護(hù)鞋。

【關(guān)鍵詞】智能；鞋子；定位；老人；足底按摩

百善孝為先，你可曾想過(guò)，當(dāng)冬夏來(lái)臨時(shí)，有一雙空調(diào)鞋使您的父母腳下四季如春；當(dāng)晚上走在一片漆黑的小巷時(shí)，有一雙鞋能照亮您父母前方的路；當(dāng)有緊急電話時(shí)，有一雙鞋能通過(guò)振動(dòng)鈴聲加閃爍及時(shí)提醒您的父母前來(lái)接聽(tīng)；當(dāng)您和父母游玩走散時(shí)，有一雙鞋能告訴你父母身在何處；更重要的是，當(dāng)您父母摔倒，處于極度危險(xiǎn)，需要人幫扶時(shí)，有一雙鞋能及時(shí)準(zhǔn)確的感知并啟動(dòng)報(bào)警器尋求幫助。種種的這些服務(wù)，只因有一雙智能鞋。

一、鞋子的由來(lái)

鞋子是怎么來(lái)的？最早的人類由于土地高低不平，氣候的嚴(yán)寒酷暑等，本能的想要保護(hù)自己的雙腳，為適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境環(huán)境，想辦法抵御外界的各種傷害，他們會(huì)就地取材，用手邊的大塊樹(shù)皮或樹(shù)葉，甚至是將野草墊于腳下，用植物枝條藤莖綁定固定，這就是大約出現(xiàn)在公元前8000年至公元前7000年最早的“涼鞋”。鞋子就是這樣產(chǎn)生的。

而在我國(guó)，鞋文化歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，據(jù)歷史考證，中國(guó)最早的一雙鞋子是從中國(guó)的新疆樓蘭出土的距今已經(jīng)四千年的羊皮靴，這雙羊皮靴，腳大估計(jì)是在23厘米，是穿在一個(gè)新疆18歲少女的女干尸的腳上的，這不僅是中國(guó)迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最早的一雙出土的鞋的實(shí)物，也是世界上最早的一雙出土的鞋子實(shí)物。

此后，鞋子的功能不斷增多，呈現(xiàn)出以下作用：

（1）功能性：穿鞋可以保護(hù)腳部較少接觸外界刺激，如刺傷、劃傷、燙傷、凍傷等；還可以通過(guò)穿鞋達(dá)到某些特定的效果，如增高等。

（2）美觀性：不同的季節(jié)、不同的款式，通過(guò)與衣飾搭配妝點(diǎn)外表；

（3）象征性：可以通過(guò)所穿鞋的檔次，體現(xiàn)個(gè)人身份、財(cái)富、實(shí)力等。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，普通的鞋子已經(jīng)漸漸地滿足不了人們的需求，基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的新一代多功能智能鞋將是鞋業(yè)界的下一個(gè)發(fā)展方向。

二、智能鞋的介紹

智能鞋主要是為兒童和老人設(shè)計(jì)，以市場(chǎng)上普通鞋為基礎(chǔ)，融入GPS定位系統(tǒng)、微控制器、傳感器等核心技術(shù)，以及內(nèi)置的動(dòng)力系統(tǒng)、陀螺儀、壓力傳感、智能語(yǔ)音系統(tǒng)和第五代移動(dòng)通信傳輸?shù)炔糠纸M成。采用GPS+LBS基站的定位技術(shù)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至微服務(wù)器，并將信息實(shí)時(shí)傳送至手機(jī)APP，從而實(shí)現(xiàn)智能鞋。

定位功能：采用GPS+LBS基站的定位技術(shù)及第五代移動(dòng)通信傳輸，能實(shí)現(xiàn)精確度米級(jí)別的定位并實(shí)時(shí)傳輸信息。

計(jì)步功能：采集智能鞋傳輸?shù)挠?jì)步數(shù)據(jù)，通過(guò)手機(jī)APP能直接查看運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，便于監(jiān)護(hù)人了解老人和兒童當(dāng)天的身體情況，進(jìn)而分析并提出合理建議。

健康快報(bào)：采集用戶的心跳數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及其他生理狀況信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)+人工智能、結(jié)合邏輯回歸以及協(xié)同過(guò)濾等算法，對(duì)用戶的健康狀況評(píng)分，并提出醫(yī)師建議，促進(jìn)健康生活。

防滑設(shè)計(jì)：鞋子底部采用SAFREE超耐磨橡膠大底，仿生章魚外觀吸盤設(shè)計(jì)，能夠讓鞋底具有很強(qiáng)的防滑效果。

照明閃光燈設(shè)計(jì)：智能鞋鞋底由LED燈環(huán)繞，可根據(jù)不同的場(chǎng)景手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光照明。

保暖設(shè)計(jì)：互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)離不開(kāi)電能的供應(yīng)，智能鞋配備一塊3400MA的優(yōu)質(zhì)鋰離子電池用于供電，容量大，并配置抗壓保護(hù)殼，安全系數(shù)高，采用優(yōu)質(zhì)的充電端口、可同時(shí)對(duì)一雙鞋子充電，充電端口防水設(shè)計(jì)，經(jīng)久耐用，性價(jià)比更高?？紤]到冬季嚴(yán)寒問(wèn)題，老人家一般都有老寒腿，兒童上學(xué)靜坐教室易發(fā)冷。智能鞋的保暖設(shè)計(jì)將電能轉(zhuǎn)化為熱能，可以很好地解決冬季嚴(yán)寒問(wèn)題。

警報(bào)設(shè)計(jì)：這是智能鞋的核心。世上沒(méi)有絕對(duì)的防御，即使防范的再好，意外任然在一旁虎視眈眈，若稍有不慎，危險(xiǎn)就會(huì)到來(lái)。老人和兒童最怕的就是摔倒，磕磕碰碰，若摔倒的老人和兒童受傷，又無(wú)旁人相助或四面無(wú)人，時(shí)間久了，將可能面臨極大地生命危險(xiǎn)。智慧鞋的警報(bào)系統(tǒng)能在人摔倒不起10秒后啟動(dòng)。首先，自動(dòng)撥打120救助電話，同時(shí)亮起智能鞋上的所有閃關(guān)燈，若在晚上能更快被發(fā)現(xiàn)；然后，響起警報(bào)以引來(lái)周圍的人前來(lái)幫助；最后，重復(fù)播放一段家人聯(lián)系方式的語(yǔ)言，以便周圍人能及時(shí)通知摔倒者的家人。

工作流程圖

三、智慧鞋的技術(shù)原理

定位系統(tǒng)由三部分組成：模擬傳導(dǎo)部分、信號(hào)輸出部分、設(shè)備控制部分。通過(guò)集成芯片將GPS，SIM卡，LBS基站等定位系統(tǒng)整合在了一起，通過(guò)包裝將定位模塊與之結(jié)合，并固定在鞋底，實(shí)現(xiàn)定位。

防滑設(shè)計(jì)方面，由于鞋底滑不滑，就是指鞋底與路面之間的摩擦力大不大。我們知道，兩個(gè)接觸物體之間的摩擦力取決于3個(gè)因素，物體表面的摩擦系數(shù)k，物體之間的接觸面積s，施加與物體上的壓力f。這三個(gè)變量越大，那么摩擦力也就越大。壓力f就是體重，體重不能輕易改變；再看接觸面積s，每個(gè)人的腳大小都是固定的，鞋子要合腳就不能做大，所以只能改變摩擦系數(shù)k，鞋底采用了摩擦系數(shù)大的牛筋鞋底軟度延展性好而且防滑，牢固不容易磨壞，深花紋，大大減少了滑到的情況。

最重要的是電路警報(bào)系統(tǒng)：整個(gè)報(bào)警器分為四個(gè)部分：SCA60C傳感器、檢測(cè)電路、音頻模塊和報(bào)警電路。

利用三軸加速度傳感器和陀螺儀采集人體腳步的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)SVM和TA算法判斷老人是否跌倒以及跌倒的姿態(tài)。跌倒檢測(cè)判別單元采用MPU6050加速度傳感器采集腳步姿態(tài)信息。MPU6050內(nèi)部集成用于加速度和角速度識(shí)別的三軸加速度傳感器和陀螺儀。其可通過(guò)軟件程序控制最大加速度測(cè)量值可達(dá)±16g，角速度最大感測(cè)值可達(dá)±2000°/sec（dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，對(duì)腳部的3個(gè)方向的加速度和傾斜角進(jìn)行測(cè)量識(shí)別。將加速度 傳感器采集得到的3個(gè)方向的加速度合成成為信號(hào)向量幅值SVM，如下面公式（1）所示。

傾斜角TA表示老人腳步角度發(fā)生變化的幅度，意外跌倒過(guò)程中會(huì)使腳步產(chǎn)生較大的傾斜角，TA表達(dá)式如下所示：

因?yàn)槔先嗽诎l(fā)生意外跌倒的情況較多，為了降低誤報(bào)率所引起的不必要干擾，提高檢測(cè)精度，算法以及SVM和TA值作為判斷依據(jù)，設(shè)定正常工作狀態(tài)下的閾值作為參考。若SVM和TA值不滿足閾值，此時(shí)將檢測(cè)后續(xù)一段時(shí)間10秒內(nèi)的三軸加速度值是否正常，三軸加速度值不正常，將啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)。

健康快報(bào)實(shí)現(xiàn)：

1、數(shù)據(jù)采集：使用Flume數(shù)據(jù)采集技術(shù)將通過(guò)傳感器等獲取有效信息（計(jì)步數(shù)、血壓、心跳頻率、血脂等）存儲(chǔ)到指定目錄，并根據(jù)時(shí)間做分區(qū)；

2、數(shù)據(jù)清洗：將數(shù)據(jù)傳入Kafka緩存，再使用Strom技術(shù)消費(fèi)Kafka中的數(shù)據(jù)做流式計(jì)算，得到指定規(guī)則數(shù)據(jù)；

3、指標(biāo)分析：使用Spark Streaming技術(shù)對(duì)身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)按照指定算法進(jìn)行評(píng)分，并匹配ElasticSearch數(shù)據(jù)庫(kù)已有的專家意見(jiàn)內(nèi)容，將分析結(jié)果存儲(chǔ)到Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)；

4、結(jié)果展示：將結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)紸pp或PC端，分別展示動(dòng)態(tài)結(jié)果；

四、智能鞋的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

現(xiàn)在檢測(cè)人體跌倒的技術(shù)大致分為基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析和基于穿戴傳感器式。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于老年人護(hù)理技術(shù)的研究大多數(shù)還處于被動(dòng)的醫(yī)療護(hù)理階段。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品還處于剛剛面試，產(chǎn)品完善階段，有很多問(wèn)題需要不斷的探討與改進(jìn)。

隨著生活水平的提高，我國(guó)人均壽命有了較大的增長(zhǎng)，老年人口也隨之逐漸增多，根據(jù)我國(guó)第六次人口普查結(jié)果顯示，我國(guó)65歲以上老年人口已達(dá)1.2億，占總?cè)丝诘?.87%。其中，年齡超過(guò)六十歲的人群占人口總數(shù)的13.26%，達(dá)到了1.7億。此外，我國(guó)老年人口數(shù)量還以每年0.3%到0.5%的速度增長(zhǎng)，社會(huì)老齡化已經(jīng)越來(lái)越明顯。

老要有所依。根據(jù)研究調(diào)查，全國(guó)老齡化最嚴(yán)重的城市是上海市。2010年，上海市戶籍人口中因跌倒致死1983人，其中87.1%的為65歲以上老年人。此外，據(jù)醫(yī)院統(tǒng)計(jì)，因外傷前來(lái)就醫(yī)的老人有50%是由于跌倒所致，傷情嚴(yán)重住院的老人有80%是跌倒病例。據(jù)調(diào)查，我國(guó)每年有30%的65歲以上老年人會(huì)跌倒，80歲以上老年人更是有50%的會(huì)跌倒，擴(kuò)大到全國(guó)，每年有超過(guò)兩千萬(wàn)的老年人會(huì)因跌倒受傷。現(xiàn)代人生活節(jié)奏快，子女上有老，下有小，壓力大，為生計(jì)奔波，分身無(wú)術(shù)，根本沒(méi)時(shí)間照看老人的起居，一旦不慎跌倒，無(wú)人發(fā)現(xiàn)，得不到及時(shí)治療，后果不堪設(shè)想。跌倒不僅僅給老年人的身體造成損失，更難以治愈的是心理狀態(tài)的打擊，會(huì)使老年人對(duì)跌倒產(chǎn)生恐懼，從而不敢進(jìn)行活動(dòng)，久而久之會(huì)使各項(xiàng)生理機(jī)能下降，產(chǎn)生惡性循環(huán)，加重跌倒幾率。另外，截止2011年，我國(guó)0-14歲的人口占到了16.6%，約2.2億。2016年5月到2017年5月，我國(guó)失蹤兒童共1317人，這也是一個(gè)不可忽視的社會(huì)問(wèn)題。智能鞋將大有作為，市場(chǎng)前景。

五、結(jié)語(yǔ)

智慧鞋的出現(xiàn)，愿老人摔倒的情況不再發(fā)生，愿兒童失蹤的事件不再重現(xiàn)，愿天下父母都能團(tuán)圓。讓幼真正有所養(yǎng)，老真正有所依。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]王國(guó)宏.半導(dǎo)體照明大功率LED進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2004（6）：38-45.

[3]李孟思.基于移動(dòng)終端的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).上海：上海大學(xué).2010.

[4]黃自鑫.基于人體動(dòng)作識(shí)別的可穿戴老人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].武漢紡織大學(xué)。2016.

[5]李雅紅，魏卿，張文浩.基于Android的多功能老人智能鞋系統(tǒng)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用.2017.7（3）：162-165.