李云強(qiáng)，黃憲通

(南陽理工學(xué)院信息工程學(xué)院 河南 南陽 473004)

我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)逐漸明顯，如何保障老年人的身體健康和人身安全逐漸成為不可忽視的社會(huì)問題。老年人跌倒帶來的傷害不僅與跌倒時(shí)的撞擊程度有關(guān)，還取決于能否及時(shí)送醫(yī)治療。因此能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人狀態(tài)，并在跌倒時(shí)及時(shí)向家人發(fā)出求救信號(hào)，使摔倒老人及時(shí)得到救助治療，能最大限度地降低跌倒對(duì)老人身體帶來的傷害。相關(guān)領(lǐng)域的研究者就防止老人跌倒系統(tǒng)展開了大量研究。文獻(xiàn)[1]從護(hù)理老人的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并研發(fā)了穿戴式防跌倒設(shè)備，但該防跌倒設(shè)備的誤報(bào)率較高；還有的研究者開發(fā)出了防跌倒的醫(yī)用座椅[2]，文獻(xiàn)[3-6]討論了判斷防跌倒的主要技術(shù)手段，并結(jié)合實(shí)際情況開發(fā)出了對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)定位及短信提醒等功能。

結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，利用現(xiàn)有的傳感器和微處理器技術(shù)開發(fā)一款能在老人跌倒時(shí)能及時(shí)提醒并定位的可智能穿戴系統(tǒng)，對(duì)降低老年人的跌倒傷害有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 跌倒檢測(cè)原理

跌倒檢測(cè)時(shí)，需對(duì)常見動(dòng)作進(jìn)行分類：走路、跑步、坐下、躺下、起立以及跌倒等。區(qū)分跌倒和正常活動(dòng)的主要指標(biāo)是活動(dòng)時(shí)的加速度變化，目前國(guó)內(nèi)外的研究中，大部分采用向量模SVM (magnitude of signal vector，SVM)[4]作為特征量進(jìn)行判定，其定義為

(1)

SVM的閾值能很好地區(qū)分人體的運(yùn)動(dòng)軌跡，但在一些激烈運(yùn)動(dòng)等特殊情況，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，為了減小這個(gè)誤差，選擇身體失去平衡時(shí)加速度方向與豎直方向的夾角θ為輔助判斷。根據(jù)坐標(biāo)分析，角的計(jì)算公式為

(2)

角度θ取值范圍為(-90°，90°)，當(dāng)θ在0°附近波動(dòng)時(shí)，可判定為站立或正常行走；當(dāng)θ在±90°附近波動(dòng)時(shí)，判定為跌倒，可認(rèn)為在跌倒過程中θ角從0°增加到±90°的。重力加速度閾值Tgravity、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)閾值Tsvm和角度閾值Tangle在滿足閾值條件時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合上述分析，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。主要由：主控核心模塊STC12C5A60S2單片機(jī)+ADXL345三軸傾角模塊+GPS定位模塊+GSM模塊SIM900A電路+按鍵取消報(bào)警+電源電路、氣囊保護(hù)和蜂鳴器報(bào)警等組成。各功能模塊均由電源模塊進(jìn)行供電。

ADXL345[7，8]三軸傾角傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)老人的行走狀態(tài)，判斷老人是否跌倒。一旦ADXL345傳感器檢測(cè)到老人跌倒，且跌倒的時(shí)間超過15 s(延時(shí)15 s，確定老人15 s內(nèi)是否跌倒未站立)；GPS模塊VK2828U7G5LF實(shí)時(shí)定位老人的位置信息，GSM模塊SIM900A實(shí)現(xiàn)短信的自動(dòng)發(fā)送，向設(shè)定的監(jiān)護(hù)人手機(jī)號(hào)碼發(fā)出求救信號(hào)和包含具體經(jīng)緯度的位置短信，同時(shí)蜂鳴器鳴叫報(bào)警提醒周圍的行人提供幫忙。

考慮到對(duì)老年人的保護(hù)，增加了繼電器模塊控制安全氣囊，減少跌倒造成的傷害。如果老人沒有跌倒，產(chǎn)生誤報(bào)警，則可通過按鍵消除報(bào)警信號(hào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各模塊的硬件電路及引腳連接，如圖2所示。

2.1 STC12C5A60S2單片機(jī)模塊

處理器方面可選擇Arduino單片機(jī)、Cortex-M3處理器[9]等。但51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器核心，較一般51系列單片機(jī)時(shí)鐘頻率更高，同樣的工作頻率，速度是普通8051的8～12倍，有更多的串口、中斷和時(shí)鐘信號(hào)可供選擇，性價(jià)比高，適用性強(qiáng)，可以滿足系統(tǒng)的需求。如圖2(a)所示，共有40個(gè)引腳。

2.2 ADXL345模塊

ADXL345作為一種3軸加速度計(jì)，擁有13位的分辨率，測(cè)量范圍達(dá)16g，能夠測(cè)量出1的傾斜，能滿足本設(shè)計(jì)測(cè)量精度的要求。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示?？赏ㄟ^SPI或I2C(Inter Integrate Circuit BUS)接口對(duì)ADXL345進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。

圖2 各芯片硬件結(jié)構(gòu)及引腳連接圖

圖3 ADXL內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

主控芯片使用I2C方式與ADXL345通信。I2C總線采用一條串行時(shí)鐘線(SCL)和一條數(shù)據(jù)線(SDA)實(shí)現(xiàn)全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，如圖2(b)所示，SCL和SDL分別與P34/P35相連，SDO不用連接。

2.3 GPS模塊(VK2828U7G5LF)

GPS模塊采用VK2828U7G5LF芯片，用來定位跌倒老人的地理位置坐標(biāo)，位置坐標(biāo)以手機(jī)短信的方式發(fā)給老人的監(jiān)護(hù)人。

GSM模塊硬件引腳連接，如圖2(c)所示，通過串口與單片機(jī)通信，RX/TX分別與P13、P12相連。加電后自動(dòng)搜索衛(wèi)星進(jìn)行定位，當(dāng)芯片的綠燈指示燈閃爍時(shí)，它就開始實(shí)時(shí)定位，并獲得時(shí)間、位置信息等定位數(shù)據(jù)。

2.4 GSM模塊

SIM900A芯片以發(fā)短信的方式實(shí)現(xiàn)家人提醒的功能。SIM900A是一款工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊，它的引腳結(jié)構(gòu)如圖4所示。已集成好GSM相關(guān)的電路、協(xié)議等，通過串口與單片機(jī)相連接，通過串口發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的AT命令可以控制它和遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信等功能。SIM900A可應(yīng)用于語音燃?xì)鈭?bào)警[10]、車輛碰撞報(bào)警器[11]、車載通信系統(tǒng)[12]、可穿戴健康監(jiān)測(cè)[13]等各方面，具有較高的可靠性和安全性。

圖4 SIM900引腳結(jié)構(gòu)圖

如圖2(d)所示 ，本設(shè)計(jì)中SIM900A的TXD和RXD分別連接到STC12C5A的P3.0和P3.1即可。

2.5 安全氣囊模塊

P21引腳連接繼電器模塊，如圖2(f)所示，通過繼電器控制安全氣囊，安全氣囊及整個(gè)系統(tǒng)可直接穿戴在腰間，采用筒狀煙火式氣體發(fā)生器進(jìn)行氣囊充氣，氣體將腰間的氣囊瞬間展開，保護(hù)人體。

2.6 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊由無源蜂鳴器和驅(qū)動(dòng)三極管等組成[14]，如圖2(e)所示，有3個(gè)引腳：VCC、 I/O(觸發(fā)端)和GND。 I/O端連接STC單片機(jī)的P20引腳，利用正弦波產(chǎn)生如同汽車報(bào)警器的提示聲音。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序流程，主要包括：主處理器芯片初始化、ADXL345數(shù)據(jù)采集程序，GPS定位數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序、GSM短信收發(fā)程序、警報(bào)報(bào)警及其他相關(guān)函數(shù)。各個(gè)分模塊采用C51語言單獨(dú)編寫程序，留出接口供其他模塊調(diào)用，最后多個(gè)模塊進(jìn)行組合調(diào)試[15，16]，系統(tǒng)的主程序工作流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序工作流程

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成之后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試和結(jié)果的調(diào)試。

4 系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試

根據(jù)圖2的電路引腳設(shè)計(jì)，連好各個(gè)芯片并上電后，系統(tǒng)即可正常工作，圖6即為處于靜止?fàn)顟B(tài)下的防跌倒提醒系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖6 系統(tǒng)硬件實(shí)物

為了正確發(fā)送短信，首先要設(shè)置監(jiān)護(hù)人手機(jī)(接收短信)的號(hào)碼，通過手機(jī)短信指令設(shè)置，手機(jī)編輯短信PHONE SMS：A(A為SIM卡上短信發(fā)送號(hào)碼，此處為：18985753871)發(fā)送給插在GSM模塊上的SIM電話卡。接收完成后會(huì)反饋“SET END”表示設(shè)置成功，手機(jī)界面截圖如圖7所示。

圖7 接收號(hào)碼設(shè)置成功截圖

接下來，按照正常站立(初始化，正常行走)、老人跌倒和自行站起，3種情況分別進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

4.1 正常行走狀態(tài)

接通電源，GSM模塊的SIM900A開始尋找信號(hào)(1 s一閃)。搜索信號(hào)完成變?yōu)? s一閃。GPS模塊VK2828U7G5LF背面綠燈閃爍，表明GPS信號(hào)定位完成。ADXL345模塊燈長(zhǎng)亮，各芯片亮燈，表明工作正常，系統(tǒng)板子直立放置即為正常站立狀態(tài)。

4.2 老人跌倒測(cè)試

傾倒板子來模擬老人跌倒后的狀態(tài)，如圖8(a)所示，ADXL345檢測(cè)到的板子傾倒信號(hào)，通過單片機(jī)代碼指令，繼電器此時(shí)熄合，紅色指示燈常亮。當(dāng)傾倒15 s以后仍未樹立起來后，蜂鳴器開始報(bào)警，并且GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信到監(jiān)護(hù)人手機(jī)上，如圖8(b)所示。

圖8 跌倒?fàn)顟B(tài)模擬及手機(jī)短信接收

4.3 老人自行站起測(cè)試

當(dāng)老人站起來時(shí)，報(bào)警蜂鳴器報(bào)警取消，繼電器紅燈熄滅，如圖9(a)所示，GSM模塊發(fā)送“老人已站起來了，請(qǐng)打電話確認(rèn)情況”，短信到監(jiān)護(hù)人手機(jī)上如圖9(b)所示，通過手機(jī)短信內(nèi)容，可見老人所在的位置為：經(jīng)緯度112.55886，32.96777，通過百度地圖知當(dāng)前跌倒位置：南陽市宛城區(qū)高新產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)附近，如圖10所示。

圖9 站起狀態(tài)模擬測(cè)試及手機(jī)短信接收

圖10 跌倒位置地圖信息

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于智能手機(jī)的老年人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跌倒檢測(cè)、定位和發(fā)送報(bào)警短信功能。系統(tǒng)采用閾值算法進(jìn)行跌倒檢測(cè)，通過GPS定位和移動(dòng)通信基站定位相結(jié)合的方式進(jìn)行定位，在判定跌倒時(shí)使用按鍵或提醒短信和特定監(jiān)護(hù)人進(jìn)行溝通，減小了誤判的機(jī)率。經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，準(zhǔn)確判斷率較高。使跌倒者獲得及時(shí)的救助，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本設(shè)計(jì)使用新一代通信芯片SIM900A，綜合GPRS/GSM短信提醒、GPS定位和安全氣囊防護(hù)等功能，具有體積小、功耗低等顯著特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收發(fā)與全球定位，達(dá)到了便捷方便監(jiān)測(cè)老人是否跌倒并報(bào)警提醒的目的，使跌倒的老年人迅速及時(shí)得到提醒和救助，從而保障老年人的生命安全。相比其他設(shè)計(jì)性能有較大提升，一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)存技術(shù)不足的問題。