基于C51单片机的智能鞋的设计与实现
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作者:刘春澍 王英强 张文浩 葛鹏辉 赵文 马祺东
摘要：近年来，儿童或老年痴呆患者走丢的新闻屡见不鲜。儿童因为年龄小，天性好动好奇心强烈，容易被事物吸引，在与家长同行时没有跟随家长。再加上家长疏于看护，就容易发生儿童走丢事件。而患有老年痴呆的患者，在发病时自身没有意识，无法控制自身行为，容易发生走丢。又因为老年痴呆发病时没有明显的症状，不像小孩走丢时哭闹会引人注意，所以在搜寻老人时会因为没有线索而增加搜索难度和时间。走路迈八字步，低头含胸，脚掌拖地是现在很多人的走路习惯。长期使用这些不标准的姿势走路，会引起身体关节的疼痛，下肢肌肉的过度紧张，严重者会出现很多身体关节疾病，同时也会影响个人的形象气质。所以，我们决定开发一种智能鞋。
关键词：防走丢;健康;智能鞋;解决方案
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）09-0246-02
1 引言
当今社会生活节奏快工作繁重，成年人没有太多时间与精力去看护家中的小孩和患病老人，再加上老人和小孩没有较强的自理能力，使得他们很容易发生危险。同时现在的人们不太注意身体健康，因行走姿势不标准导致的各种身体不适，肌肉紧张和关节疼痛，这些问题极大的影响的人们的生活质量。随着互联网+的发展，而鞋类又是现代生活的日常穿着用品，所以针对这两个问题提出了一条防走丢“智能鞋”的解决方案。
2 需求分析
互联网+的时代已经到来，但在现在的正常生活中，还是有很多我们日常使用的物品没有实现互联网+。例如现在的鞋类，它现在的功能仅仅只是保护足部，并没有实现如同智能手表和手机一样的智能化，有多种多样功能。手机与智能手表很便捷，但是总有不方便携带的时候，例如运动时会影响我们活动，这就带来了极大的不便。
现在移动设备普及，定位设备普及，针对儿童走丢不方便寻找的问题，借助定位功能。手机手表容易丢失，在寻找方面有极大的风险。机器不方便。在智能鞋上安置GPS模块来实现定位功能，帮助警察来寻找丢失的人。
3 功能与技术分析
3.1 系统数据流程
本系统由硬件平台采集数据，数据经过解析和处理后，在移动端app中显示。系统的数据交互流程如图1所示，以下是对这个流程的简单介绍。
（1）硬件平台：使用压力传感器获取穿戴者走路产生的壓力数据，使用GPS模块以固定频率获取穿戴者的当前位置的GPS数据。获取到的数据由单片机负责进行解析，之后通过蓝牙模块发送给移动端。
（2）移动端app：移动端接收到数据后，利用其中的压力数据来生成用户的步态模型，判断用户的步态是否健康进而决定是否需要提醒用户纠正不良步态。然后利用收到的GPS数据获取用户的经纬度和位置信息，并用新的位置信息更新用户的运动轨迹图。在进行以上操作后，移动端会向服务器发起一个http请求，将计算出来的最新数据发送到服务器中保存。最后客户端会使用计算出来的数据重新渲染相关的显示。
（3）服务器端：服务器端负责存储每个用户的数据和个人信息，为客户端的各种操作提供支持。当客户端对服务器发起一个请求时，服务器首先会识别发起请求的客户端的身份并判断其是否有进行对应操作的权限，在鉴权通过以后服务器会根据请求的具体类型执行相对应的操作，在操作完成后会给发起请求的客户端发送一个请求完成的响应。
以下是系统运行的基本流程：
3.2 系统的分析设计与功能说明
利用“智能鞋”采集到的数据，进行数据库模型的建立。本系统主要分为三部分：服务器端、客户端、硬件平台。以下是系统架构图：
系统架构图如图2所示。
系统功能说明：
（1）服务器端：存储用户数据，保存注册用户的信息，验证用户登录信息是否正确。
（2）客户端：为接受硬件平台的数据提供接口，进行分析计算数据并将数据渲染，将数据上传至服务器端。提高人机交互体验：用户可以在客户端查看硬件平台所提供的信息。
（3）硬件平台：控制硬件系统。采集压力、gps数据，提供通讯支持，将数据传递给客户端。
3.3 技术分析
防走丢智能鞋的实现思路可以简单概括如下：在鞋内嵌入硬件系统，获取穿戴者的GPS信息和鞋底不同部位的压力值，将获取到的数据定时发送到用户的手机APP，APP将收到的数据解析后进行计算得出用户的步态信息和位置信息，将这些信息在APP中显示出来，并后台发送到服务器保存。接着，鞋内的硬件系统继续获取数据…手机继续计算……不断重复以上过程。
开发防走丢智能鞋需要用到的技术分为软硬件两部分，硬件部分主要用到了C51单片机开发技术，GPS模块开发技术，wifi/蓝牙模块通信技术。以C51单片机作为硬件系统的中枢，来调度整个硬件系统的功能，并作为压力传感器模块、GPS模块两大模块与手机APP通信的中转站。
压力传感器采集到的鞋底压力数据和GPS模块采集到的GPS位置数据是模拟电路数据，这些数据发送到单片机系统时会被数模转换模块转化为数字电路数据。单片机系统会按照烧人的程序指令继续将得到的数字电路数据发送到所连接的手机里。
如果没有手机被连接，发送将不会进行。单片机和手机的连接用蓝牙模块或wifi模块来实现，在单片机系统可以由穿戴者手动操作来开启蓝牙模块或wifi模块的信号发散，此时打开手机的wifi热点或蓝牙，就可以与单片机系统建立连接。当连接建立后，单片机系统会将采集到的数据源源不断地发送到所连接的设备。
开发防走丢智能鞋的软件部分使用android开发技术来实现手机客户端的开发，android开发技术中分别有对应的蓝牙技术和wifi技术可以用来和单片机中的对应模块建立连接。当app的wifi/蓝牙接口收到数据后，监听蓝牙/wifi数据接受事件的方法会被调用，收到的数据在解析和计算后将会被渲染到手机屏幕上，然后向服务器发起一个post请求，把计算后的数据保存到服务器上。在app启动时，会像服务器发起get请求来获取当前登录用户的步态信息和过去保存的位置信息。
得到智能鞋穿戴者授权的人可以在自己手机端的app中，向服务器发起请求，查看穿戴者的数据。
4 小结
本篇文章指出了智能鞋解决方案的研究意义，将现在鞋类产品存在的几个问题做了细致的阐述，并指出问题的产生原因和解决方法，以及对硬件和软件的功能和应用技术进行了分析。
我们将会在今后继续完善我们的硬件与软件，例如加入更精确的定位、优化界面、更快的访问速度等。
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【通联编辑：代影】
作者简介：刘春澍（1997-），男，山西霍州人，学生，研究方向：前端开发;王英强（1981-），男，山西运城人，副教授，硕士，研究方向：大数据、软件工程。
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