丁超 楊永杰 潘睿 申紅明

摘 要： 介紹基于Android系統(tǒng)的新型可穿戴報警設(shè)備的設(shè)計。該設(shè)備主要由電子鞋報警模塊和Android APP兩個部分組成。系統(tǒng)使用微型充電電池搭配壓電陶瓷充電電路為報警模塊供電，延長電池使用時間。當(dāng)遇到危險時，使用者可以利用腳跟重壓報警按鍵3 s主動發(fā)送信號或者在系統(tǒng)陀螺儀檢測到使用者處于摔倒?fàn)顟B(tài)，且Android手機脫離連接范圍的情況下，自動使用鞋內(nèi)報警模塊驅(qū)動低功耗藍牙4.0向APP發(fā)送報警信號。APP將當(dāng)前記錄的GPS數(shù)據(jù)作為警報信息內(nèi)容發(fā)送至多個已綁定的郵箱和手機，并撥打110報警電話，從而實現(xiàn)及時、快速地求救。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)識別危險情況準(zhǔn)確，實時性、可靠性較高，具備一定市場應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： Android； 可穿戴設(shè)備； 陀螺儀； 壓電陶瓷充電電路； 報警設(shè)備； GPS

中圖分類號： TN820.4?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0059?05

Abstract： The design of a novel wearable alarm device based on Android system is introduced. The device is mainly composed of two parts of electronic shoe alarm module and Android APP. In the system， the micro charging battery matched with the piezoelectric ceramic charging circuit is used to supply power for the alarm module， so as to prolong the service time of the battery. When danger comes， users can use their heels to press the alarm button hard for 3 seconds， so as to send signals actively， or their falling state can be detected by the gyroscope of the system. If the Android phone is beyond the connection scope， the electronic shoe alarm module will automatically drive the low?consumption Bluetooth 4.0 to send alarm signals to APP. APP takes the currently?recorded GPS data as the alarm information content to send it to multiple bound mailboxes and mobile phones， and dials the alarm telephone number 110， so as to realize timely and rapid rescue. The experimental results show that the system can identify dangerous circumstances accurately， has high real?time performance， reliability， and a certain market application value.

Keywords： Android； wearable device； gyroscope； piezoelectric ceramic charging circuit； alarm device； GPS

0 引 言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的飛快發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的同時也帶動了智能手機的發(fā)展，目前，搭載有Android系統(tǒng)的智能手機市場占有率高達89%。物質(zhì)文化的高速發(fā)展并不能掩蓋一些社會問題，特別是近年來惡性傷害的事件逐步增長，人民安全需要得到更多的保障[1]。

現(xiàn)在市面上有很多針對不同群體的可穿戴電子設(shè)備，如針對兒童安全的360兒童衛(wèi)士手環(huán)、小天才Y01手表等。這些產(chǎn)品內(nèi)置GPS模塊和GSM通信模塊，通過配套的APP，家長可遠(yuǎn)程監(jiān)控兒童位置，但由于使用者年齡較小，安全因素更多地依賴于家長的監(jiān)視，這需要耗費家長的大量時間。又如滿足成年人需求的Apple Watch，小米手環(huán)等產(chǎn)品，健康、娛樂是其產(chǎn)品的核心部分，無法照顧到安全功能的設(shè)計。上述產(chǎn)品設(shè)計的報警按鍵暴露在表面，只有使用者點擊按鍵才能發(fā)送報警信號，報警方式單一，無法做到自動檢測報警。且設(shè)備使用時間維持在1～2周，待機能力一般，供電由一次性電池提供，對環(huán)境危害較大。

從隱形、便攜等方面綜合考慮，將防護模塊置于鞋內(nèi)更為有效。

在本文設(shè)計方案中，鞋內(nèi)報警模塊使用微充電電池與壓電陶瓷充電電路組成電源為設(shè)備供電。壓電陶瓷充電電路負(fù)責(zé)將使用者機械能轉(zhuǎn)化為電能，為電池充電，延長電池使用時間。利用陀螺儀采集使用者狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)值改變幅度超過設(shè)定的閾值時，且Android設(shè)備與電子鞋脫離連接時，自動發(fā)送報警功能。但是鞋內(nèi)空間狹小，使用者在進行劇烈運動的時候，可能會造成電子元器件的松動，所以本文設(shè)計的電子鞋底部盡可能地少放置電子器件，報警功能的實現(xiàn)集中于Android手機。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)主要由鞋內(nèi)報警模塊和Android報警APP兩個部分組成。報警模塊使用MSP430低功耗芯片作為控制核心，通過極低功耗藍牙4.0模塊與Android設(shè)備通信；使用陀螺儀收集使用者運動趨勢作為使用者是否倒地的依據(jù)；電源部分使用微型充電電池，搭配壓電陶瓷充電電路，將使用者走路時的動能轉(zhuǎn)換為電能并為電池充電，延長了電池的使用時間；外部電路還提供一個按鍵，使用者用腳跟重壓該按鍵可以實現(xiàn)主動報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能如下：

APP在Android系統(tǒng)后臺開啟一個線程與鞋內(nèi)報警模塊通過藍牙保持實時連接，如果連接意外中斷，APP每隔固定時間嘗試搜尋指定藍牙模塊，保證連接的正常。

使用者需要使用APP綁定一個或多個指定的郵箱和手機號，只有綁定成功才能使用系統(tǒng)報警功能，如果沒有綁定，APP會不斷彈出警告信息。

當(dāng)APP與報警模塊正常連接之后，APP在指定時間內(nèi)記錄用戶GPS位置，報警模塊通過陀螺儀搜集用戶狀態(tài)。觸發(fā)報警信號包括兩種情況：

1） 按鍵按下的事件超過報警閾值；

2） 用戶處于摔倒?fàn)顟B(tài)且APP與電子鞋脫離連接。當(dāng)滿足這兩個條件中的其中一個時，Android APP將會向指定的郵箱發(fā)送郵件，向綁定的聯(lián)系人發(fā)送短信，并撥打110報警電話。

2 電子鞋報警模塊設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

報警模塊硬件主要由以下5個部分組成：MSP430控制芯片；藍牙4.0通信模塊；MPU?6050陀螺儀模塊；壓電陶瓷充電電路與微型充電電池組成的電源供電模塊；報警按鍵。

選用德州儀器公司的MSP430作為控制芯片，主要是因為其具備的超低功耗特性。在正常工作狀態(tài)下僅僅消耗1.2 mA，待機時功耗更是忽略不計。僅僅16 mm2的封裝，更有利于整個模塊的PCB設(shè)計[2]。藍牙4.0模塊同樣具備以往產(chǎn)品不具備的低功耗特性，其功耗[3]僅為前代產(chǎn)品藍牙3.0的[14]。

MPU?6050陀螺儀模塊自帶加速度傳感器，用于檢測使用者是否摔倒，該模塊通過陀螺儀、加速度傳感器不斷采集角速度和加速度，根據(jù)樸素貝葉斯算法推算出判定摔倒?fàn)顟B(tài)的閾值，從而有效地檢測摔倒事件的發(fā)生。陀螺儀電路如圖2所示[4]。

作為可穿戴設(shè)備，電源部分的設(shè)計顯得尤為重要。模塊內(nèi)部摒棄了使用一次性紐扣電池作為模塊供電的方案，而是考慮到電子鞋相較于手環(huán)、手表等可穿戴設(shè)備的不同之處，特別地使用壓電陶瓷收集和轉(zhuǎn)化使用者移動過程中產(chǎn)生的機械能，再通過充電電路將轉(zhuǎn)化后得到的電能給電池充電。模塊內(nèi)部沒有使用一次性電池，對環(huán)境的保護也起到了積極的作用。值得注意的是，2片壓電陶瓷片并聯(lián)所產(chǎn)生的電量對于整個模塊的電量消耗是相當(dāng)微弱的，因此壓電陶瓷是輔助的電量提供者，作用僅僅是延長電池使用時間，而充電電池仍然需要摘下充電。報警按鍵通過弱上拉與MSP430相應(yīng)管腳連接，其安裝的位置為鞋跟部，使用者通過重壓鞋跟部超過設(shè)定的時間閾值，可以實現(xiàn)主動報警[5]。壓電陶瓷充電電路如圖3所示[6]。

2.2 軟件設(shè)計

模塊主要具備如下兩個主要功能。

1） 報警按鍵按下的時間超過報警時間閾值時，MSP430通過藍牙模塊向手機發(fā)送報警信號。時間閾值不是固定的，使用者可以根據(jù)自己的喜好通過APP更改設(shè)定，系統(tǒng)默認(rèn)的時間為3 s。

2） 陀螺儀檢測到使用者摔倒之后，MSP430控制芯片通過藍牙模塊向手機發(fā)送用戶倒地信號。Android端接收到該信號之后，在設(shè)定的時間內(nèi)，如果手機與電子鞋失去連接，將觸發(fā)報警功能。在使用者受到侵害時，倒地的幾率較大，因此將檢測使用者是否摔倒作為報警條件之一。陀螺儀通過采集使用者足部加速度和角度變化來判定使用者是否摔倒，文獻[7]提出，下軀干部位雖然質(zhì)量較為集中，但是活動較多，運動過程與摔倒過程差別較小，不適合用于數(shù)據(jù)獲取。

但考慮到檢測摔倒并不是該系統(tǒng)的重點，對比表1～表3中的數(shù)據(jù)，行走?跑動狀態(tài)與行走?摔倒兩個狀態(tài)獲取的加速度和角速度無大差異，但與行走?行走狀態(tài)之間的差異是巨大的。因此，如果使用者突然由相對平穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×疫\動狀態(tài)[8]，那么模塊會判定當(dāng)前處于摔倒?fàn)顟B(tài)，但APP接收到摔倒信號后并不直接完成報警行為，而是等到滿足Android設(shè)備與電子鞋失去連接這個條件時才會執(zhí)行相應(yīng)操作。加入兩個特定條件的判定，將大大減少系統(tǒng)的誤報率。

3 Android報警APP設(shè)計

APP接收電子鞋發(fā)來的信號，分析信號并做出相應(yīng)的行為。電子鞋發(fā)送的信號總共有兩種：一種是明確的報警信號；另一種是使用者摔倒信號。兩種信號的幀格式如表4所示。對于第一種信號，APP不做處理，直接進行報警；第二種信號，APP先檢測當(dāng)前是否能夠連接到電子鞋，如果與電子鞋斷開連接，則直接進行報警。下面著重描述藍牙連接功能和報警行為功能的設(shè)計。

3.1 藍牙連接功能設(shè)計

電子鞋與APP通過藍牙連接，相互通信，一旦藍牙斷開連接，報警設(shè)備將無法實現(xiàn)所有功能，因此保證系統(tǒng)內(nèi)部的藍牙處于連接狀態(tài)顯得尤為重要。在APP中開啟一個獨立的子線程，該線程定時采集當(dāng)前藍牙狀態(tài)[6]，當(dāng)電子鞋與APP連接中斷且沒有接收到摔倒信號時，Android設(shè)備作為藍牙主端，定時搜索周邊藍牙設(shè)備，并匹配指定的藍牙地址。如果匹配不成功的次數(shù)超過設(shè)定值上限（系統(tǒng)默認(rèn)為3）或者無法搜索到指定設(shè)備，那么系統(tǒng)認(rèn)定當(dāng)前電子鞋與Android設(shè)備脫離了連接范圍，將向綁定的聯(lián)系人發(fā)送設(shè)備丟失短信，以幫助使用者快速找到Android設(shè)備[9]。

3.2 報警功能設(shè)計

報警功能包含三個部分：向已綁定的聯(lián)系人發(fā)送短信，向已綁定的郵箱發(fā)送郵件，撥打110報警電話，三個行為依次執(zhí)行。首先，APP通過調(diào)用startIntent方法將包含有使用者當(dāng)前GPS位置信息的報警信息發(fā)送給指定的聯(lián)系人，如果短信發(fā)送失敗超過設(shè)定的次數(shù)（系統(tǒng)中默認(rèn)為3），那么就跳過該行為，轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一行為發(fā)送郵件，繼而是撥打報警電話[10]。報警流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試在南通大學(xué)創(chuàng)新實驗室內(nèi)進行，Android設(shè)備為魅族MX5。測試時已經(jīng)將所有模塊集成到長8 mm，寬5 mm的PCB單層板中嵌入鞋內(nèi)部，打開APP軟件連接電子鞋，設(shè)置相關(guān)選項后即完成初始化工作。硬件測試電路如圖5所示。

初始化工作完成后，依次測試APP GPS定位功能、短信發(fā)送功能、郵件發(fā)送功能和撥打報警電話。APP測試界面如圖6所示。

緊接著完成Android設(shè)備與電子鞋聯(lián)合調(diào)試。主要測試如下兩個功能：重壓鞋跟1 s，2 s，3 s，每個時間段測試15次，每個階段5次，接收報警信號的成功率如表5所示。測試Android設(shè)備在接收到摔倒信號和沒接收到摔倒信號兩種前提下，脫離連接范圍時是否誤報，兩種情況每個測試15次，分為三個階段，每個階段測試5，APP誤報率如表6所示。

在無較強信號干擾的情況下，接收到報警信號成功率達到100%，APP誤報率為0%，APP能較好地對信號進行判斷并完成相應(yīng)的功能，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具備低功耗，實時性和可靠性強等特點。

5 結(jié) 語

針對易受到侵害的弱勢群體，本文設(shè)計了一套基于Android系統(tǒng)的可穿戴報警設(shè)備，該設(shè)備不斷檢測使用者當(dāng)前所處的狀態(tài)，特別是在使用者突然遇到危險時，能及時有效地發(fā)送報警信號，為實施營救贏得了寶貴的時間。在經(jīng)過反復(fù)多次的測試后得出，該系統(tǒng)具備良好的低功耗、實時性和可靠性，識別危險情況準(zhǔn)確，具備一定的市場應(yīng)用價值。

項目設(shè)計方案榮獲全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用“三創(chuàng)”大賽創(chuàng)意設(shè)計組一等獎。

參考文獻

[1] 封順天.可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].信息通信技術(shù)，2014（3）：52?57.

FENG Shuntian. Wearable devices development status and trend [J]. Information and communications technologies， 2014（3）： 52?57.

[2] ZHU Z P. Smart home management system based on MSP430 and Bluetooth module [J]. Journal of Weinan Normal University， 2016（4）： 24?32.

[3] 張曉飛，宋良平，宋威.nRF51822藍牙4.0的溫度墑情測量儀設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（1）：56?59.

ZHANG Xiaofei， SONG Liangping， SONG Wei. Temperature and moisture measurement instrument based on nRF51822 and Bluetooth 4.0 [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2016， 16（1）： 56?59.

[4] 龐宏宇，楊晶，姜華，等.基于可穿戴設(shè)備的報警信息提醒方法，CN105336204A[P].2016?02?17.

PANG Hongyu， YANG Jing， JIANG Hua， et al. The alarm information reminding method based on wearable equipment： CN105336204A [P]. 2016?02?17.

[5] 陳立.基于壓電陶瓷的鞋底發(fā)電與充電電路的設(shè)計[J].科技風(fēng)，2015（24）：26.

CHEN Li. The design of electric power generation and charging circuit based on piezoelectric ceramics [J]. Technology wind， 2015（24）： 26.

[6] 劉楠，陳萬忠，王秋爽，等.基于Android平臺的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2016，34（2）：283?288.

LIU Nan， CHEN Wanzhong， WANG Qiushuang， et al. Remote video monitoring and early warning system based on Android platform [J]. Journal of Jilin University （Information science edition）， 2016， 34（2）： 283?288.

[7] 吳天昊.基于3軸加速度傳感器及陀螺儀的老年人摔倒識別[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

WU Tianhao. Elderly fall detection based on 3 axis acceleration sensor and gyroscope [D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2013.

[8] 常喜，賀五洋，王立忠，等.基于Android系統(tǒng)與單片機的無線藍牙溫度采集系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（2）：42?43.

CHANG Xi， HE Wuyang， WANG Lizhong， et al. Wireless Bluetooth temperature acquisition system based on Android system and MCU [J]. Digital technology and application， 2016（2）： 42?43.

[9] 張佳進，陳立暢，李雪飛，等.Android智能手機的緊急呼救系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（5）：69?72.

ZHANG Jiajin， CHEN Lichang， LI Xuefei， et al. Design of emergency call system based on Android phone [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2015（5）： 69?72.

[10] 黃偉敏.Android平臺的即時通信系統(tǒng)客戶端設(shè)計方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（16）：140?142.

HUANG Weimin. Design of client?side in instant communication system of Android platform [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（16）： 140?142.