李堯，陳炳杰，汪諾舟，宋月恒，吳凡增，申愷寧，陳波

（ 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230000 ）

0 引言

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的報(bào)告顯示，中國已經(jīng)逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，預(yù)計(jì)到2040 年，65 歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^20 %，80 歲及以上高齡老人可達(dá)7 400 萬人。老年人、殘障人士以及兒童因意外或疾病引發(fā)的摔倒現(xiàn)象較為普遍，摔倒后如未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及救治，將引發(fā)嚴(yán)重后果。如何在信息化、科技高速發(fā)展的時(shí)代利用智能設(shè)備與系統(tǒng)保障這一特殊群體的生命安全，是值得研究的社會(huì)化課題。

1 概述

本文設(shè)計(jì)的智能安全保障系統(tǒng)主要包括可穿戴設(shè)備、智能工具以及智能視覺算法。其中，可穿戴設(shè)備包括心率血氧傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、無線傳輸傳感器以及陀螺儀。智能工具包括信息存儲(chǔ)模塊、語音控制模塊、短信報(bào)警模塊。智能視覺算法通過深度學(xué)習(xí)，可以智能識(shí)別及分析人體姿勢(shì)。[1]

2 硬件組成

以STM32 單 片 機(jī) 為 主 控， 使 用MAX30102 心率血氧傳感器、LM75 溫度傳感器測(cè)量及采集人體數(shù)據(jù)，利用MPU6050進(jìn)行人體姿態(tài)角、加速度的數(shù)據(jù)測(cè)量，利用ESP8266WiFi 傳感器將監(jiān)測(cè)到的生理數(shù)據(jù)傳輸至云端和手機(jī)APP。存儲(chǔ)在單片機(jī)中的相關(guān)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，判斷佩戴者摔倒或出現(xiàn)身體異常姿態(tài)時(shí)，激發(fā)蜂鳴器報(bào)警。手機(jī)APP、云端以及位于工具內(nèi)部的SIM 卡短信模塊以多種方式報(bào)警。

利用LD3320 語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)語音交互功能，利用ESP8266 模塊、SIM800C 短信模塊進(jìn)行云端及短信報(bào)警。當(dāng)使用者說出帶有相關(guān)關(guān)鍵詞的語句后，語音識(shí)別模塊越過人體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，直接進(jìn)入手機(jī)APP、云端及短信報(bào)警流程。

2.1 可穿戴設(shè)備

人體摔倒時(shí)，姿態(tài)角和加速度呈現(xiàn)較大變化。MPU6050 傳感器作為全球首例6 軸運(yùn)動(dòng)處理組件，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，已被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)以及各種手持型游戲設(shè)備，有利于人體姿態(tài)數(shù)據(jù)收集和分析處理。

人體突發(fā)疾病，如腦梗塞、心肌梗塞等急性致死疾病時(shí)，心率、血氧、體溫也都會(huì)出現(xiàn)一定程度的異常情況。以腦梗塞為例，發(fā)病時(shí)通常出現(xiàn)心律失常、脫水、動(dòng)脈炎、休克等癥狀[2]。以心肌梗塞為例，同樣在發(fā)病時(shí)出現(xiàn)心律失常、休克、心力衰竭、心肌需氧量突然增加以及發(fā)熱等并發(fā)癥狀[3]。因此，在設(shè)備中選用了集心率監(jiān)測(cè)與血氧監(jiān)測(cè)為一體的MAX30102 芯片。MAX30102 是集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊，同樣為智能手機(jī)與智能穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)。它集成了多個(gè)LED、光電檢測(cè)器、光器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，優(yōu)點(diǎn)在于功耗極低，有效節(jié)省空間。心率測(cè)量方法采用光電容積法，該方法利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成的透光率不同進(jìn)行脈搏和血氧飽和度的測(cè)量。LED 光束射向手腕皮膚時(shí)，人體組織反射光線至光電變換器，光電變換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大并輸出，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

光透過皮膚組織反射至光敏傳感器時(shí)，產(chǎn)生光照衰減現(xiàn)象。肌肉、骨骼、靜脈和其他組織對(duì)光的吸收基本不變，由于動(dòng)脈中存在血液流動(dòng)，故血液對(duì)光的吸收會(huì)有所變化。當(dāng)傳感器把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變。因此，得到的信號(hào)可以分為直流DC 信號(hào)和交流AC 信號(hào)。提取其中的AC 信號(hào)，就能反應(yīng)血液流動(dòng)的特點(diǎn)。通過對(duì)原始PPG 信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到一定時(shí)間內(nèi)的波峰個(gè)數(shù)，計(jì)算得出心率值。血液中含有的氧合血紅蛋白和血紅蛋白存在一定的比例，利用紅光分別檢測(cè)氧合血紅蛋白和血紅蛋白的PPG 信號(hào)，通過程序處理得到相應(yīng)比值，即得到血氧值。

選用LM75 傳感器用于溫度測(cè)量，可提供過熱檢測(cè)輸出，在-55℃～+125℃范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)[4]，其基本性能滿足可穿戴設(shè)備測(cè)溫需求，用于監(jiān)測(cè)人體體溫并與傳感器監(jiān)測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行混合處理及分析。

上述傳感器集成于可穿戴腕表式裝備中，佩戴于手腕處，使用單片機(jī)通過I2C 或模擬I2C 接口進(jìn)行心率血氧值、溫度值、角度值、加速度值的讀取。當(dāng)心率血氧值、溫度值持續(xù)低于或高于設(shè)定閾值，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)指令將異常數(shù)據(jù)打包發(fā)送至云端和手機(jī)APP，蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)角度值、加速度值的瞬時(shí)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令傳輸數(shù)據(jù)并報(bào)警。

可穿戴設(shè)備組成框圖如圖1 所示。

圖1 可穿戴設(shè)備組成框圖

2.2 智能工具

利用STM32 單片機(jī)控制語音識(shí)別傳感器 模 塊，ESP8266WiFi 模 塊 和SIM800C 傳感器模塊進(jìn)行處理運(yùn)算。語音識(shí)別傳感器采用LD3320 芯片，該芯片為非特定人語音識(shí)別芯片，最多可識(shí)別50 條預(yù)先設(shè)置的指令。ESP8266 是ai-thinker 公司推出的一款無線WiFi 模塊，其屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b.g.n 協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧,是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要組成部分。SIM800C 芯片是一款四頻GSM/GPRS 模塊，為城堡孔封裝，其性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價(jià)比高，低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS 和數(shù)據(jù)信息的傳輸，具備短信、彩信發(fā)送以及短信廣播功能。

語音識(shí)別模塊收集到的語音指令經(jīng)STM32單片機(jī)處理比對(duì)，確定為預(yù)設(shè)的報(bào)警指令時(shí)，WiFi 模塊發(fā)送報(bào)警信息至云端和手機(jī)APP，控制SIM 短信模塊將預(yù)設(shè)的求救信息發(fā)送至預(yù)定手機(jī)，觸發(fā)蜂鳴器求救警報(bào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及求助系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及求助系統(tǒng)由前文所述的ESP8266WiFi 模塊、SIM800C 短信模塊以及云端存儲(chǔ)器構(gòu)成。其中，WiFi 模塊負(fù)責(zé)將可穿戴設(shè)備收集到的人體生理健康數(shù)據(jù)傳輸至云端存儲(chǔ)器，同時(shí)負(fù)責(zé)在接收到單片機(jī)發(fā)送的報(bào)警信號(hào)時(shí)將異常數(shù)據(jù)、求救信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)聯(lián)體云平臺(tái)；接收到報(bào)警信息時(shí)，短信模塊將包含家庭住址、異常生理數(shù)據(jù)、直系親屬聯(lián)系電話的預(yù)存短信發(fā)送至當(dāng)?shù)?10 指揮中心、SIM卡內(nèi)預(yù)存的醫(yī)院和緊急聯(lián)系人，第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)大范圍通知，實(shí)現(xiàn)飽和式求救。

設(shè)定長(zhǎng)按鍵，設(shè)定取消報(bào)警和主動(dòng)報(bào)警。謹(jǐn)防日常生活中某些行為或話語觸發(fā)系統(tǒng)誤報(bào)警，造成社會(huì)資源的浪費(fèi)。主動(dòng)報(bào)警適用于佩戴者出現(xiàn)意外但系統(tǒng)判斷失誤未進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)也適用于出現(xiàn)其他人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失時(shí)的緊急求助。

3.2 姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng)由yolo v5 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，選用CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）算法實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)的深度學(xué)習(xí)，對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的人體姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別與判斷。判斷結(jié)果與MPU6050 傳感器監(jiān)測(cè)到的異常加速度、異常姿態(tài)角等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，提高精準(zhǔn)度。

安全狀態(tài)下的阿里云平臺(tái)信息展示如圖2所示。心率異常報(bào)警狀態(tài)下的阿里云平臺(tái)信息展示如圖3 所示。

圖2 安全狀態(tài)下的阿里云平臺(tái)信息展示

圖3 心率異常報(bào)警狀態(tài)下的阿里云平臺(tái)信息展示

4 結(jié)語

項(xiàng)目通過多種裝置與系統(tǒng)進(jìn)行智能結(jié)合與交互，完成采集數(shù)據(jù)、上傳存儲(chǔ)、APP 查看、云端共享等功能，實(shí)現(xiàn)了較為完善的報(bào)警求助功能，為使用者提供多方位的保護(hù)與救助。通過軟硬件調(diào)試、改進(jìn)和優(yōu)化，確認(rèn)了系統(tǒng)在安全保障方面的實(shí)際效果，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了家庭安全保障設(shè)備的智能化和自動(dòng)化。