朱鈺龍，胡宸鳳，竇研哲，肖 凡

（華北電力大學(xué)，北京 102200）

0 引 言

2019年6月，由中國老年學(xué)和老年醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)老齡傳播分會(huì)、中國疾控中心慢病中心、國家衛(wèi)健委北京老年醫(yī)學(xué)研究所等七家機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布《老年人防跌倒聯(lián)合提示》，呼吁全社會(huì)從強(qiáng)化老年人個(gè)人意識(shí)、促進(jìn)居家適老化改造等方面努力，重視跌倒對(duì)老年人健康和生命造成的嚴(yán)重威脅。

世面上諸多基于GPS接收模塊的產(chǎn)品，如GPS智能手機(jī)、車載GPS導(dǎo)航等，雖然功能豐富，如帶有可視化地圖等，但成本過高，并不適合老年用戶群體。

傾斜角檢測法是最常見的摔倒檢測方法之一，但因?yàn)楝F(xiàn)有傾斜角傳感器的局限性，設(shè)備必須以特定或幾種方式放置，在成本控制方面存在一定的局限性。

本文研發(fā)的老年人防走丟與摔倒警報(bào)系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）能實(shí)現(xiàn)GPS定位經(jīng)緯度顯示和摔倒檢測，還具有通過手機(jī)短信收發(fā)位置、語音播報(bào)請(qǐng)求幫忙等功能。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的理念設(shè)計(jì)

通過走訪養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、有老人的家庭、老人獨(dú)居家庭，調(diào)查了老人對(duì)于現(xiàn)有智能設(shè)備的擔(dān)心和平均每天使用智能設(shè)備的時(shí)間，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 老人對(duì)于現(xiàn)有智能設(shè)備擔(dān)心的問題

圖2 平均每天使用智能設(shè)備的時(shí)間

由此我們可以得出結(jié)論：老年人無法付出過多的學(xué)習(xí)成本，他們需要的僅僅是能夠簡單實(shí)現(xiàn)所需功能的“一體機(jī)”，并且他們很看重設(shè)備的花費(fèi)和易損程度。由于很少有老年人能熟練使用智能手機(jī)等設(shè)備，對(duì)于老年人的“萬物互聯(lián)”，終端只能是他們的兒女和監(jiān)護(hù)人。

1.2 硬件與軟件的要點(diǎn)設(shè)計(jì)

硬件：STM32系列單片機(jī)是32位單片機(jī)，處理速度相對(duì)較快。本次設(shè)計(jì)綜合考慮人機(jī)交互需求，采用LCD1602顯示器作為系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量顯示。摔倒檢測模塊選用配有SW-18015P振動(dòng)傳感器的模塊。

軟件：采用C語言編寫程序。分模塊編寫程序，將子程序模塊編寫完成之后進(jìn)行整體程序功能的邏輯設(shè)計(jì)，使程序具有較高的移植性和擴(kuò)展性。

設(shè)備整體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備整體功能結(jié)構(gòu)

1.2.1 單片機(jī)的選擇

STC系列單片機(jī)：STC單片機(jī)外設(shè)簡單，只需正確搭建最小系統(tǒng)單片機(jī)就可以正常工作。寄存器與I/O管腳操作相對(duì)簡單。

STM32系列單片機(jī)：STM32系列單片機(jī)在消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍。STM32系列單片機(jī)是32位單片機(jī)，處理速度相對(duì)較快。STM32系列單片機(jī)采用ARM內(nèi)核架構(gòu)，處理速度進(jìn)一步得到優(yōu)化。

樹莓派系統(tǒng)：樹莓派具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，擁有高規(guī)格的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，但這些功能對(duì)于受眾群體而言過于冗余。樹莓派的硬件構(gòu)成較為復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)傳統(tǒng)的單片機(jī)更昂貴。

綜合考慮，本系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，完成最小系統(tǒng)與外圍設(shè)備的搭建與調(diào)試。

1.2.2 顯示電路的選擇

系統(tǒng)選用LCD1602顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互。LCD1602具有背光LED，使得顯示更加清晰。LCD1602液晶顯示屏可以顯示2行英文字符或者數(shù)字，每一行可顯示16位數(shù)。LCD1602液晶顯示屏采用并行串口控制，數(shù)據(jù)顯示與刷新速度較快。LCD1602顯示數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，顯示結(jié)果較清晰，但不適用于寒冷環(huán)境。

1.2.3 傳感器的選擇

傾斜角傳感器：該傳感器可進(jìn)行角度測量、角速度測量和角加速度測量。因設(shè)備置放角度隨機(jī)，無法通過角度進(jìn)行摔倒檢測?？紤]到人體各部分角速度有區(qū)別，加之用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，如果要對(duì)摔倒進(jìn)行精確的定義和檢測，可能會(huì)出現(xiàn)算法過于復(fù)雜、STM32單片機(jī)無法承載的情況。再者，市面上常見的傾斜角傳感器通常對(duì)于放置方向有限制，會(huì)加大用戶操作的困難程度，產(chǎn)生額外的學(xué)習(xí)成本和時(shí)間花銷，不符合設(shè)備受眾的需求。

振動(dòng)傳感器：選用配有SW-18015P振動(dòng)傳感器的模塊。SW-18015P是一種密封彈簧式、非定向振動(dòng)感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，其相較于傾斜角模塊的優(yōu)勢在于，可任意角度觸發(fā)。SW-18015P壽命長，正常情況下可開關(guān)達(dá)20萬次。彈簧為不銹鋼線或磷銅線材質(zhì)，不易損壞。在多次調(diào)查走訪養(yǎng)老機(jī)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，老年人只有在摔倒等情況下SW-18015P才會(huì)振動(dòng)。同時(shí)，還可以通過更換傳感器彈簧的材質(zhì)，以有效調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，也可以通過電路板上的電位器調(diào)整觸發(fā)閾值。

2 系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 單片機(jī)及其主控

STM32單片機(jī)寄存器相對(duì)于其他單片機(jī)較多，開發(fā)模式分別是寄存器版本開發(fā)、庫函數(shù)版本開發(fā)。本研究同時(shí)使用了兩種開發(fā)方式。本系統(tǒng)的主控選用STM32F103C8T6。

2.2 顯示電路

LCD1602液晶顯示屏是比較常用的顯示器件，一共可以顯示兩行信息，尺寸如圖4所示。本系統(tǒng)選擇具有背光的LCD1602顯示數(shù)據(jù)，基于未來使用場景，可以做拆卸處理。

圖4 LCD1602尺寸圖

LCD1602液晶電路原理如圖5所示。

圖5 LCD1602液晶電路

GPS模塊實(shí)物與接口電路如圖6所示。LCD1602液晶顯示屏的管腳與單片機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)形式連接，是10 kΩ的可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)LCD1602液晶顯示屏的對(duì)比度調(diào)節(jié)。LCD1602的D7～D0引腳是并行數(shù)據(jù)接口，與單片機(jī)的P0口連接。背光燈接入5 V與GND管腳間，實(shí)現(xiàn)上電屏幕的背光屏幕常亮。LCD1602的E引腳連接單片機(jī)的P2.5引腳，R/W引腳連接單片機(jī)的P2.6引腳，RS連接單片機(jī)的P2.7引腳。

圖6 GPS模塊實(shí)物與接口電路

LCD1602液晶顯示屏?xí)?duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“忙”檢測，當(dāng)“不忙”時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入操作，通過引腳間的程序協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。LCD1602會(huì)實(shí)時(shí)判斷RS引腳輸入的指令，通過判斷模塊寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)，或者寫入相應(yīng)指令。當(dāng)LCD1602的E引腳給出高電平時(shí)，LCD1602會(huì)將得到的信息傳遞給液晶控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的寫操作。

2.3 GPS定位模塊

RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（MNEA）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，現(xiàn)在演變?yōu)镚PS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一使用的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼傳遞GPS定位信息，幀的格式即為協(xié)議內(nèi)容，通過串口以字節(jié)的形式傳送。

GPS定位信息語句的基本格式如下：

（1）UTC時(shí)間格式為時(shí)、分、秒、毫秒；

（2）緯度的格式為度、分；

（3）緯度半球?yàn)楸本暬蚰暇暎?/p>

（4）經(jīng)度的格式為度、分；

（5）經(jīng)度半球?yàn)闁|經(jīng)或西經(jīng)；

（6）GPS狀態(tài)中，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位；

（7）正在使用的用于定位的衛(wèi)星數(shù)量為00～12；

（8）HDOP水平精確度因子為0.5～99.9；

（9）海拔高度為-9 999.9～9 999.9 m；

（10）大地水準(zhǔn)面高度為-9 999.9～9 999.9 m；

（11）差分時(shí)間，即從最近一次接收到差分信號(hào)開始的時(shí)間，非差分定位，此項(xiàng)為空；

（12）差分參考基站標(biāo)號(hào)為0000～1023，首位0也將傳送，非差分定位，此項(xiàng)為空。

2.4 GSM短信模塊

GSM通信模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵?。SIM800A可以快速、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中數(shù)據(jù)、語音傳輸及短消息服務(wù)（Short Message Service）和傳真。

SIM800A是緊湊型、高可靠的無線模塊，采用了SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案與功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求，通過AT命令控制（GSM07.07，07.05和增強(qiáng)AT命令）。圖7所示為SIM900A模塊功能。

圖7 模塊功能

SIM800A模塊串口管腳的工作電平為CMOS電平，單片機(jī)串口管腳的工作電平為TTL電平，通過單片機(jī)高電平和低電平的邏輯判斷電平可實(shí)現(xiàn)SIM800A的管腳連接，因此模塊的串口線可直接與單片機(jī)的串口線連接。SIM800A模塊的NETLIGHT管腳連接指示燈來指示工作狀態(tài)。

2.5 摔倒檢測模塊

摔倒檢測有兩種方案：傾斜角計(jì)算方式和振動(dòng)計(jì)算方式。傾斜角傳感器可進(jìn)行角度測量、角速度測量和角加速度測量。振動(dòng)傳感器模塊的電路邏輯為檢測到超過閾值的振動(dòng)時(shí)，DO腳出現(xiàn)短暫的高電平。同時(shí)，可以調(diào)節(jié)藍(lán)色電位器，以更改觸發(fā)閾值。

2.6 語音播報(bào)模塊

語音模塊采用插卡方式存儲(chǔ)語音，操作簡單。語音模塊支持MP3格式，WAV格式。模塊的SPK1與SPK2引腳可直接連接揚(yáng)聲器進(jìn)行語音播放，電路如圖8所示。

圖8 語音模塊電路

2.7 電源的選擇

采用USB接口實(shí)現(xiàn)電源供給。USB電壓為5 V，且其文波與干擾較小，電壓輸出比較穩(wěn)定，且輸出質(zhì)量較高。

3 系統(tǒng)的制作與調(diào)試

3.1 硬件研制

采用洞洞板進(jìn)行器件的安裝、固定、焊接，用萬用表進(jìn)行檢查，觀測是否存在短路或虛焊。

3.2 編寫模塊化程序

程序設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，故采用模塊化設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)程序流程

3.3 測試

燒寫系統(tǒng)程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。

（1）測試中觀察到LCD可顯示實(shí)時(shí)信息，通過GPS定位，可準(zhǔn)確顯示老人實(shí)際位置的經(jīng)度和緯度，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)整體測試圖

（2）通過手機(jī)發(fā)送短信“123456j”至手機(jī)，設(shè)備會(huì)將老人所處位置的經(jīng)緯度信息發(fā)送至手機(jī)。

（3）當(dāng)老人出現(xiàn)摔倒等危險(xiǎn)情況時(shí)，可進(jìn)行語音播報(bào)請(qǐng)求路人幫忙，同時(shí)會(huì)給用戶發(fā)送一條報(bào)警短信“Warning!Qing jiu yuan!”，如圖11所示。

圖11 手機(jī)接收信息界面

4 結(jié) 語

為防止老年人走丟和摔倒，本文研發(fā)了一款基于STM32F103單片機(jī)的老年人防走丟與防摔倒警報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有便攜性好、準(zhǔn)確性高、成本低、使用壽命長等特點(diǎn)，適用于不同的生活場景。

（1）以STM32為主體，基本形成閉環(huán)全自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)老年人零學(xué)習(xí)成本和低經(jīng)濟(jì)成本的精確定位和摔倒檢測。

（2）通過“物聯(lián)網(wǎng)+”的形式，可將信息及時(shí)傳遞給老人子女和養(yǎng)老服務(wù)單位，不同于傳統(tǒng)的“用戶為信息主體”，系統(tǒng)以“監(jiān)護(hù)人為信息主體”，在提高信息質(zhì)量的同時(shí)降低了成本。

（3）使用振動(dòng)傳感器進(jìn)行摔倒檢測，準(zhǔn)確性高，且能定制閾值、可調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)突出。