CN108420169A - 学生智能安全随行书包 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种学生用智能安全随行书包的实现方法，其重点在于综合利用智能硬件/软件技术、无线遥控技术、红外传输技术、自动控制技术、安全技术和高科技材料技术来设计一种学生用智能书包，以有效地解决学生负重和安全的双重问题。书包本身也可以看做是一种智能机器人。
Description
技术领域
本发明横跨智能物联网（IOT）和智能机器人两个应用领域，涉及智能硬件/软件技术、无线遥控技术、红外传输技术、自动控制技术、人身安全和材料技术等专业领域。
背景技术
随着社会的发展和进步，进入校园的学生人数越来越多，尤其是广大的中小学生。激烈的竞争导致学业沉重，直接体现在学生的书包上。对广大的小学生、中学生而言，动辄几公斤的负重对他们还没有发育成熟的身体来说是个沉重的负担。另外，书包作为学生最重要的装备，要在一定程度上能够起到安全辅助作用。如何能让小学生们轻轻松松、高高兴兴、安安全全去上学是正是本发明要解决的问题。目前市场上已有的智能书包存在以下几个问题：1）基本还是背负式，不能解决负重的问题；2）具有拉杆功能，能在一定程度缓解但不能最大程度地解决负重问题；3）安全功能单一，主要是GPS跟踪/防走失，定位精度很低，根本不能应对突发情况；4）一些日本产品具有钢板抗震、落水漂浮等极少用到的功能，与学生安全没有本质的关系，而且加重了书包本身的重量；5）采用普通材料，书包易破损，而且不具有防护功能。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，利用智能硬件/软件技术、无线遥控技术、红外传输技术、自动控制技术、安全技术和高科技材料技术来设计一种学生用智能书包，以有效地解决学生负重和安全的双重问题;书包本身也可以看做是一种智能机器人:
1.智能书包内嵌智能硬件平台和安全软件***，统一管理相关功能，硬件底层加密，确保***安全；同时具有无线通讯功能，支持广域无线网络和WIFI、BT、GPS、红外等多种局域或近距无线通讯功能;学生和智能书包之间形成安全的一对一的绑定关系，当孩子行走时，智能书包在轮子的带动下即会跟着孩子一同行走，间距默认设置50CM，可调节;孩子左转，书包左转；孩子右转，书包右转；孩子停，书包停；孩子倒退，书包倒退;书包具有智能越障能力，也能够行走在普通楼梯上;
2.安全方面，通过红外、BT、Wifi等多种技术在书包和学生（要佩戴相应的手环、鞋子、衣服等穿戴设备）之间形成一对一的绑定关系，私有密码保护;书包和学生之间超过一定距离，书包会产生声/光报警；同时，采取学生主动参与和智能书包自动的方式拨打学生家长电话，进行安全通告;学生家长也可通过手机上的APP及时主动查询学生状况;采用GPS、WIFI、BT、红外等多种方式对学生和书包进行综合定位，保证了定位的精确性;
3.控制及互动方面，有几种方式：智能书包具有语音识别功能，能够按照学生的语音指令行动；学生也可以通过手机app，智能手表或手环等其他方式与书包产生互动;
4.书包材料，现阶段可采用碳纤维材料，将来可采用石墨烯材料，轻薄坚固，不易变形，耐磨损，不易穿透；在极端、紧急和异常状况下，能够对学生的身体形成较强的防护和支撑作用;材料防水，可以更好地保护书包内部;方便造型，外型可采用各种受欢迎的卡通等造型，后续也可衍生为成人用行李箱、背包等;
5.书包内置电池，可使用充电电池或普通干电池，后续可实现太阳能充电;
6.机电控制方面
书包采用四通道设计，即发射器上分别有控制1、2通道和3、4通道的动作指令;对应左轮轴和右轮轴方向的控制动作进行微调;刹车、倒车和油门共用一个通道;不同通道的发射、接收指令信号，控制X、Y轴的机械动作;孩子踩住鞋子，即是刹车指令，孩子开始走路，即发射书包行驶指令，书包前进/后退，红外感知孩子转弯;以红外技术为例，主要集成电路控制器原理方框图设计如图2 所示;
该电路由红外发射和红外接收两部分组成，其中发射由编码电路和RF发射电路组成;红外编码电路具有5种编码功能，其中F/B用于控制伺服电动机的前进、后退；L/R 用于控制伺服电动机的左转、右转;turbo用于加速;
红外光波长一般为0.76~1.5Um，易受可见光的干扰，需使用编解码器;红外发射器中包含指令编码及红外管的驱动两大部分;发射器的指令编码部分可用高频振荡器代替，该振荡器发出的高频振荡信号经放大驱动红外发光管，使红外发光管在脉冲驱动电流的驱动下，发出同频率的脉动红外光;
接收器装置在后侧靠下部;是用来接收从发射器传来的指令信号，经过光电转换、频率放大、解码等处理后，指挥轴杆作出与发射机指令相对应的动作;光电转换即为光敏管将收到的红外光转换为电信号，频率选择电路则实现对特定频率作出响应;该接收器在对电信号的红外接收管的输出，经多级前置放大器放大后，输入V02的1脚，当1脚输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率附近时，逻辑输出的V02脚将由高电平变为低电平，输出一个负脉冲;利用这一脉冲即可置单片机实现***输出的信号的检测，并由单片机实现轴杆电机的驱动，完成红外跟踪目的;
轴杆伺服器，是把从接收器传来的信号转换为机械动作的一种机电一体的装置;主要作用是指导接收器收到的电信号转换成相应的机械动作，以完成方向和速度的控制;
电子调速器，是动力输出控制装置;它接收来自接收器的信号，并控制轴杆的转速和正转反转。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的总原理图
图3为硬件控制图
图4发射电路内部结构图
图5发射电路外形封装图
图6解码电路内部结构图
图7解码电路外部封装图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明（以红外通讯方式为例，BT/WIFI类似）,如各图所示，本发明用到的模块如下：
发射模块
发射模块在电路中是一个元器件模块，对外引出线有接线桩头;根据其引脚定义进行应用;有5个管脚，对应5种编/解码功能;如图4所示;模块的工作电压为2.5~5.0V，当鞋子启动电源开关时，芯片通电，振荡器开始工作；当鞋子关闭电源开关时，芯片断电，振荡器停止工作，减少工作电流;
控制电路的内部结构如图4所示;内部主要由输入电路、编码电路、振荡电路、时序产生器电路和输出电路组成;输入电路有5个输入管脚，分别与5个功能键forward(前进)、backward(后退)、rightward(向右)、leftward(向左)和turbo(加速)相对应;芯片中的编码电路向SO和SC两个输出管脚发送数字码，数字码与定义的功能按键相对应; 外形封装如图5所示;
编码器SO管脚输出的编码数字信号和输出的数字载波信号同时加到基极后，经调制、滤波后便由天线发射出去;
编码电路主要管脚说明
| 管脚号 | 管脚名 | 功能说明 |
| 1 | Right | 带有上拉电阻，该脚接地选择右转功能 |
| 2 | Test | 带有上拉电阻，测试端;此脚用于测试方向 |
| 3 | GND | 电源负极 |
| 4 | Backward | 带有上拉电阻，此脚接地选择后退功能 |
| 5 | Forward | 带有上拉电阻，此脚接地选择前进功能 |
| 6 | Turbo | 带有上拉电阻，此脚接地选择加速功能 |
| 7 | SC | 带有载波频率的编码信号输出端，用于红外遥控 |
| 8 | SO | 不带有载波频率的编码信号输出端，用于红外遥控 |
| 9 | Vcc | 电源正极 |
| 10 | PC | 电源控制输出端 |
| 11 | OSCO | 振荡器输出端 |
| 12 | OSCI | 振荡器输入端 |
| 13 | NC | 空脚 |
| 14 | Left | 带有上拉电阻，此脚接地选择左转功能 |
接收模块
解码电路如图6所示;该解码电路内部主要由3组放大器、信号取样和误码检测、解码电路、控制逻辑电路、振荡器、时序产生器、锁存器、输出电路组成;模块有5个输出管脚，分别具有5种功能;接收信号由三级放大器放大后对其进行信号滤波，然后得到基带信号;当***在对该信号进行取样、误码检测后，解码逻辑便可以提取F/B、L/R和来自接收信号的功能位，同时输出相应的前进、后退、左转、右转和加速功能所用的控制电平，以控制书包的动作;编码和解码两种模块的振荡器工作频率之间的相对误差必须小于±2.5%;为满足可走路书包的安全性，同是还要为伺服器设计过载保护电路;
解码电路主要管脚说明
| 管脚号 | 管脚名 | 功能说明 |
| 1 | V02 | 放大器2输出管脚 |
| 2 | GND | 负电源 |
| 3 | SI | 解码信号输入端 |
| 4 | OSCI | 振荡器输入端 |
| 5 | OSCO | 振荡器输出端 |
| 6 | Right | 右转输出端 |
| 7 | Left | 左转输出端 |
| 8 | RD | 带有上拉电阻，该脚接地选择右转功能无效 |
| 9 | LD | 带有上拉电阻，该脚接地选择左转功能无效 |
| 10 | Backward | 后退输出端 |
| 11 | Forward | 前进输出端 |
| 12 | Turbo | 加速输出端 |
| 13 | Vcc | 电源正极 |
| 14 | VI1 | 放大器1输入端 |
| 15 | VO1 | 放大器1输出端 |
| 16 | VI2 | 放大器2输入端 |
轴杆伺服器及电子调速器
轴杆伺服器的作用是把接收器接收到的电信号转换成相应的机械动借完成方向和速度的控制;电子调速器是专门调速用的伺服器装置，有多种程式刹车、温控自动保护以及自动断电等功能;
软件设计
本***的软件设计是采用Android***，并进行了相应的安全性改造;软件总体分为安全管理模块、精确定位模块、报警管理模块、通讯模块、机电控制模块等部分组成;
特别说明：上述装置实施例中，所包括的各个模块和单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能模块和单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围;上述实施例只是本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内;
至此，智能安全随行书包的关键技术已禅述完毕;后续方案中，会逐渐增加多种通信方案，以完成更准确跟踪，更灵敏跟踪;对书包的外型设计也会采用多种卡通图案;以后还会增加书包的智能化，例如人机通话与语言陪练功能；夜间自动感应光线与开灯（或炫彩）功能；监测孩子行动轨迹以及危险（区域、事物）警示功能；GPS定位功能；自动通知设置的手机号码及触发报警功能；可坐骑功能;传感器更先进，可以更多的融进生物感知及物理感知功能;比如说指编纹开锁，语言开锁；不同路面感应就会自动调速等;电源模式也会逐步采用太阳能及其他通电模式;
智能安全随行书包在以后的方案中，也会逐渐运用在大重行李的使用上，成人也可以使用会走路的行李包进行减负;后续方案也逐步设计出各专业领域使用的走路行李包;例如运用在专业登山领域，除专用于登山外，还可以具体各种救援及登山方便功能;行海、游泳行李包，可根据设置自动感应并在海面上跟踪目标;自行传输功能;可根据设置的导航进行自行运输，不用进行目标跟踪;接收方只需输入预先设置的参数即可接收，例如可进行密码参数设置；生物特征参数设置等等;
总之，在以后的书包/行李包领域，将会揭开智能化历史的新篇章。
Claims (10)
1.学生智能安全随行书包,其特征在于：内置智能硬件平台和安全软件***，具有无线通讯功能，支持广域无线网络和WIFI、BT、GPS、红外等多种局域或近距无线通讯功能;通过红外、BT、Wifi等多种技术在书包和学生（要佩戴相应的手环、鞋子、衣服等穿戴设备）之间形成安全的一对一的绑定关系，具有硬件级别的加密及密码保护功能;当学生行走时，智能书包在轮子的带动下即会跟着学生一同行走. 书包具有智能越障功能，也能够行走在普通楼梯上;书包和学生之间超过一定距离，书包会产生声/光报警；同时，采取学生主动参与和智能书包自动的方式拨打学生家长电话，进行安全通告;学生家长也可通过手机上的APP及时主动查询学生状况;采用GPS、WIFI、BT、红外等多种方式对学生和书包进行综合定位，保证了定位的精确性;智能书包具有语音识别功能，能够按照学生的语音指令行动；学生也可以通过手机app，智能手表或手环等其他方式与书包产生互动;智能书包具有智能机器人的特点。
2.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，智能书包和学生之间能够基于安全的硬件及软件基础以红外、BT、WIFI承载的方式形成一对一的绑定功能。
3.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体具有智能机器人的特性，能够自动跟随主人的行动，并能接收包括语音形式在内的相关指令，并行动。
4.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体具有智能报警功能，产生声/光报警；同时，采取学生主动参与和智能书包自动的方式拨打学生家长电话，进行安全通告。
5.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体具有精确的定位功能，采用网络辅助定位、GPS、WIFI、BT、红外等多种方式，综合各种地理及位置信息，采用相关软件算法，对学生和书包进行综合定位。
6.如权利要求3所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体的机械轮部分的设计，充分考虑了针对普通环境和楼梯的智能越障能力。
7.如权利要求4所述的安全智能随行书包，其特征在于，学生家长或公安等职能单位，能够主动监测和及时了解学生的安全动态信息。
8.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体具有对学生的生理参数进行监测的功能：将监测到的参数与标准参数进行对比；当比对结果正常，则监测终止；当比对结果异常，则将生理参数异常信号与所述定位信号结合，同时向外发送。
9.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体采用相关步骤检测发送链路的畅通状态，在畅通状态下将所收集的数据向外发送，该发送链路为：通讯基站通信链路、BT数据通信链路、WIFI数据通信链路、GPS数据通信链路、RFID射频数据通信链路。
10.如权利要求1所述的安全智能随行书包，其特征在于，所述主体采用相关步骤检测接收链路的畅通状态，在畅通状态下将接收相关指令及数据，该接收链路为：通讯基站通信链路、BT数据通信链路、WIFI数据通信链路、GPS数据通信链路、RFID射频数据通信链路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180821 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |