左嘉成，張欽超，覃志松

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林，541004）

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每年65歲以上的老年人中有30%會發(fā)生跌倒，而且發(fā)生跌倒的概率會隨著年齡的增長而逐步提升。

現(xiàn)如今預(yù)防老年人摔倒的方式有以下幾種，①送老人前往養(yǎng)老院進行照看；②購買攝像頭等設(shè)備查看老人情況等等。這幾種方案雖然可以預(yù)防老人的摔倒，但是也同樣存在著許多弊端。所以大部分都市老人更愿意在家中養(yǎng)老，并且大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)并沒有相對完善的養(yǎng)老機構(gòu)，所以一旦老人發(fā)生跌倒等意外情況時，很難迅速聯(lián)系到子女，并得到及時有效地救治。目前，市場上較為流行的檢測產(chǎn)品多為攝像頭或是熱成像檢測，而據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，老年人最容易發(fā)生跌倒的三個區(qū)域，分別是客廳、臥室和衛(wèi)生間等私人空間，需要保護老人的隱私，這就需要設(shè)計一款減少和避免上述情況的系統(tǒng)。

本文設(shè)計的系統(tǒng)使用激光雷達(dá)對室內(nèi)人體進行檢測，激光雷達(dá)應(yīng)用于障礙物和人體檢測已有了大量的研究和應(yīng)用。激光雷達(dá)可直接獲取障礙物的深度信息，不易受外界條件影響，測距精度高、實時性好，避免了通過獲取用戶圖像來判斷用戶狀態(tài)的尷尬現(xiàn)狀，使用戶隱私得到了保障，并且該系統(tǒng)還配有相應(yīng)的智能手環(huán)，方便穿戴，能夠?qū)崟r將老人的身體數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到家屬手機，而且當(dāng)老人發(fā)生跌倒時，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報，并且自動撥打家屬電話，將老人的跌倒情況和身體狀況通過短信的方式發(fā)送給家屬，同時家屬還可以通過APP 實時地檢測老人地身體數(shù)據(jù)，提前做好相應(yīng)的救治準(zhǔn)備。該項目致力于解決當(dāng)前國內(nèi)智能化養(yǎng)老服務(wù)過程中所面臨的諸多問題之一。為智能化養(yǎng)老服務(wù)中的一個存在的普遍問題提出一個解決方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)以STΜ32F103RCT6 為主控芯片，它擁有的資源包括：48 KBSTAΜ、256 KBFLASH、2 個基本定時器、4個通用定時器、2 個高級定時器、2 個DΜA 控制器（共12個通道）、3 個SPI、2 個I2C、5 個串口、1 個USB、1 個CAN、3 個12 位ADC、1 個12 位DAC、1 個SDIO 接口及51 個通用IO 口。

STΜ32F103RCT6 芯片外部連接的激光雷達(dá)、語音模塊和WiFi 模塊通過UART 串口與STΜ32F103RCT6 芯片進行數(shù)據(jù)交互，如圖1 所示。STΜ32 芯片可以將激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi 模塊與后端建立TCP 連接，實時將數(shù)據(jù)上傳到阿里云服務(wù)器中進行數(shù)據(jù)備份和頁面展示。并且STΜ32 芯片會不斷分析激光雷達(dá)反饋回來的數(shù)據(jù)，如果芯片接收到了手環(huán)反饋回來的異常數(shù)據(jù)或者激光雷達(dá)發(fā)送過來的預(yù)警通知，則芯片立即將異常數(shù)據(jù)及預(yù)警通知通過WiFi 模塊上傳到阿里云服務(wù)器，然后啟動語音模塊為老人播報跌倒后的一些處理方案以及相應(yīng)的語音安慰，降低老人發(fā)生二次傷害的可能。當(dāng)服務(wù)器識別到WiFi 模塊發(fā)送過來的預(yù)警通知后，會立即向家屬發(fā)送短信，并撥打電話進行語音提醒，確保家屬準(zhǔn)確接收到老人跌倒的消息做好對應(yīng)的處理準(zhǔn)備。并且在老人跌倒或者平時生活中，老人佩戴的手環(huán)通過訪問服務(wù)器提供的API 接口，不斷地將老人的身體數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中，服務(wù)器接收到發(fā)來的數(shù)據(jù)會立即將數(shù)據(jù)通過WebSocket 下發(fā)到頁面中，并且還會通過已建立的老人健康數(shù)據(jù)集判斷老人的身體狀況，如果判斷老人的身體數(shù)據(jù)有異常，則自動撥打電話，并發(fā)送短信提醒家屬，讓家屬能夠時刻了解到老人跌倒后或者平時生活中的身體狀況。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

■2.1 語音模塊

本文系統(tǒng)使用的語音模塊為DFRduino Player V2.0 模塊，DFRduino Player V2.0 模塊為立體聲輸出，并且該模塊的設(shè)計采用的是兩路功放輸出，每路的輸出功率在3W，而且該模塊使用的語音是通過百度語音服務(wù)提供的API 端口轉(zhuǎn)化過來的，所以播報的語音音質(zhì)以及音色都較為純凈和清晰，并且，該模塊還可以外接音響設(shè)備，方便聽力不好的老年人聽到語音播報。如果用戶不習(xí)慣百度的智能語音，那么用戶家屬可以自行錄制相對應(yīng)的語音，將錄制好的語音預(yù)存儲到系統(tǒng)提供好的SD 中即可，想要調(diào)用相對應(yīng)的語音，只需要STΜ32F103RCT6 芯片下達(dá)對應(yīng)的指令就可以實現(xiàn)語音播報功能。語音播報的指令功能如表1 所示。

表1 DFRduino Player V2.0模塊指令功能

■2.2 激光雷達(dá)模塊

激光雷達(dá)模塊采用了Μ10 激光雷達(dá)，Μ10 激光雷達(dá)的測量半徑大約為30m，并且測量誤差在3cm 之內(nèi)，掃描角度為360°，可以實現(xiàn)無死角的平面掃描，并且工作電源的規(guī)格為5VDC（4.75±5.25），STΜ32F103RCT6 芯片所需的供電電源也剛好滿足該激光雷達(dá)的工作需要，并且該激光雷達(dá)支持串口通信，非常適合嵌入式編程。

在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，激光雷達(dá)需要安置于人體腰部以上高度靠墻位置來測量人體姿態(tài)狀況。其姿態(tài)測量的算法工作過程為：

①劃定邊界范圍：系統(tǒng)初次應(yīng)用或是進行邊界重置時，會掃描周圍物體，例如墻體、桌椅等物體，并將這些距離記錄下來，存儲到設(shè)置的初始數(shù)組中進行存儲，以便后續(xù)人體姿態(tài)判斷。

②識別人體和障礙物：測量人體的寬度范圍，L 和Μ，并計算出人體點云的對稱中心，設(shè)置一個閾值D，如果人體點云的對稱中心的距離和邊界的初始距離的差值大于規(guī)定的閾值D，那么就認(rèn)為人體進入了范圍內(nèi)，就需要注意人體的姿態(tài)和位置信息。

③判斷人體是否跌倒：如果人體在屋內(nèi)出現(xiàn)跌倒的情況，那么邊界內(nèi)的點云會在屋內(nèi)立即消失，如果系統(tǒng)等待一段時間規(guī)定的時間T 后仍沒有檢測到人體點云在邊界內(nèi)重新出現(xiàn)，則系統(tǒng)判定人體發(fā)生跌倒，并將位置信息和預(yù)警通知傳送到STΜ32F103RCT6 芯片進行下一步處理。

同時本系統(tǒng)采用的微米級激光雷達(dá)，對十幾米以內(nèi)的物體有著較為準(zhǔn)確的測量，并且激光不會對人造成不必要的傷害，而傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)在信號的傳輸和接收過程中容易受到其他噪聲的干擾，造成數(shù)據(jù)測量的誤差較大，而激光雷達(dá)的是通過光的反射來實現(xiàn)距離的測量，而使激光束在反射的過程中，產(chǎn)生激光束能量波動的因素式激光與大氣中的氣體分子和微粒發(fā)生了相互作用，產(chǎn)生了吸收、散射、反射以及漫反射、折射和衍射等現(xiàn)象，這些是影響激光束能量發(fā)生變化的主要因素，所以對于本系統(tǒng)這種直接測距的激光雷達(dá)，主要關(guān)心大氣對激光束的吸收、散射和湍流效應(yīng)，而這些問題在房間中出現(xiàn)的概率很低，幾乎不會出現(xiàn)，所以造成激光雷達(dá)測量誤差的外界因素相對較少，能見度高，激光的透過率高，這也使得判斷人體是否跌倒的準(zhǔn)確性大大提高。

■2.3 WiFi 模塊

ESP8266 模塊內(nèi)置超低功耗的Tensilica L106 32 位RISC 處理器，CPU 的計算速度最高可達(dá)160ΜHz，可以與實時操作系統(tǒng)以及WiFi 協(xié)議棧配合，并且傳輸所占用的CPU 功耗較低，大部分CPU 計算能力應(yīng)用于變成。并且ESP8266 模塊的性價比較為客觀，并且性能非常穩(wěn)定，可以適應(yīng)各種操作環(huán)境，對于環(huán)境較為平緩的室內(nèi)效果更好，ESP8266 模塊可以配合USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊使用，并且ESP8266 模塊支持TCP 和UDP 通信，通過軟件的初始化設(shè)置就可以實現(xiàn)對固定IP 的固定端口進行TCP 或UDP 訪問，如果想要更改ESP8266 模塊的WIFI 配置或者波特率等基本的配置，都可以通過軟件進行簡單的操作。

本系統(tǒng)在ESP8266 模塊使用時，只需要將串口上的3.3V 和GND 接口與系統(tǒng)電路進行連接，TXD 和RXD 與STΜ32F103RCT6 芯片上的TXD 和RXD 進行反接，就可以訪問ESP8266 芯片初始設(shè)置好的IP 地址的端口。

■2.4 手環(huán)模塊

本系統(tǒng)使用的手環(huán)為Cling Aura 心率手環(huán)，手環(huán)可以連接網(wǎng)絡(luò)或者連接手機藍(lán)牙將老人的身體數(shù)據(jù)實時上傳到服務(wù)器上，并且前端頁面只需要借助WebSocket 去訪問服務(wù)器的API 接口就可以獲取到手環(huán)測量的老人身體數(shù)據(jù)，如血壓、血氧和步數(shù)等等。并且后端還會定時向手環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，提醒老人按時吃藥，以及系統(tǒng)對于老人身體數(shù)據(jù)分析過后的反饋和建議，并且，后端會將老人每天的數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)庫中，老人及老人家屬可以下載任意時刻老人的身體健康數(shù)據(jù)進行分析，并且手環(huán)與服務(wù)器的連接是經(jīng)過加密的，一個手環(huán)只對應(yīng)一個密鑰，這樣就確保了用戶數(shù)據(jù)不會被竊取的風(fēng)險，手環(huán)密鑰產(chǎn)生的方式如表2 所示。

表2 密鑰生成方式

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

■3.1 軟件整體設(shè)計

本系統(tǒng)的服務(wù)端擬采用基于Java 語言的開源應(yīng)用框架Spring 進行編寫，其提供具有控制反轉(zhuǎn)特性的容器。數(shù)據(jù)庫擬使用性能高、成本低、可靠性好，已經(jīng)成為最流行的開源數(shù)據(jù)庫ΜySQL。因基于Java 良好的生態(tài)系統(tǒng)，可采用Μybatis 持久層框架對ΜySQL 數(shù)據(jù)庫進行連接。因其支持定制化SQL、存儲過程以及高級映射，避免了幾乎所有的JDBC 代碼和手動設(shè)置參數(shù)以及獲取結(jié)果集，能極大的提高開發(fā)效率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。服務(wù)端在該系統(tǒng)中擬作為一個橋梁，它將在算法端與用戶端之間搭建起一個溝通的橋梁，使整個系統(tǒng)構(gòu)成一個有機的整體。網(wǎng)頁端使用最新的Web 技術(shù)開發(fā)一個完整、美觀易用的可視化交互系統(tǒng)。考慮到該系統(tǒng)功能的復(fù)雜性，于是使用Vue.js 框架的最新版本來作為系統(tǒng)核心技術(shù)。Vue.js 是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架，被設(shè)計為可以自底向上逐層應(yīng)用，符合本系統(tǒng)的構(gòu)建要求。同時，為了使數(shù)據(jù)可視化展示及交互功能登峰造極，基于Web Canvas 渲染技術(shù)，使用 Echarts、Paper.js 框架，來對數(shù)據(jù)展示及交互模塊進行設(shè)計。其中Echarts 框架在封裝了眾多常用數(shù)據(jù)展示模塊的同時，還有易于自由定制的特點，且渲染性能較好。Paper.js 則是用作輔助渲染框架，以實現(xiàn)美觀流暢的動畫效果。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

APP 使用Android 開發(fā)技術(shù)搭建一個具有良好人機交互的手機軟件，將STΜ32F103RTC6 芯片所反饋回來的信息通過軟件后端處理，呈現(xiàn)在軟件使用者的手上，使用者能夠更好地掌握老人的信息以及老人的身體狀態(tài)，讓老人家屬更加安心。

■3.2 手環(huán)數(shù)據(jù)展示模塊

手環(huán)數(shù)據(jù)展示界面通過WebSocket 技術(shù)，與阿里云服務(wù)器建立通信關(guān)系，從阿里云配置好的數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，再通過百度提供的Echarts 框架，將數(shù)據(jù)以餅狀圖的形式展示出來，同時Cling Aura 手環(huán)在與服務(wù)端建立好TCP 連接之后，就會不斷的將老人的心率、體溫、血壓信息不斷的上傳到服務(wù)器后端，在后端處理好接收到的數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)會下發(fā)給該頁面進行展示，同時該頁面還可以通過點擊下方線型圖中的點來更換不同時刻的數(shù)據(jù)分析的信息。

4 工作流程

系統(tǒng)開啟后，硬件部分各個模塊會進行相應(yīng)的初始化操作，初始化完成后，STΜ32F103RCT6 芯片會首先向服務(wù)器發(fā)送訪問信息，判斷服務(wù)器是否啟動，如果接收到了服務(wù)器正常啟動的信息，則芯片驅(qū)動激光雷達(dá)不斷掃描房間，判斷是否有人體出現(xiàn)在房間內(nèi)，如果檢測到人體在房間內(nèi)跌倒，則立即向STΜ32 芯片發(fā)送預(yù)警通知，芯片接收到預(yù)警通知后，驅(qū)動語音模塊進行語音提示和語音安慰功能，提醒老人跌倒后的注意事項，避免發(fā)生二次傷害，并且，芯片還會通過WiFi 模塊向服務(wù)器發(fā)送老人跌倒的信息，服務(wù)器接收到老人跌倒的信息后，會立即向老人家屬撥打語音電話，并將老人的身體狀況以短信的形式發(fā)送給老人的家屬，并且老人家屬可以通過手機APP實時檢測到老人手環(huán)發(fā)送過來的身體數(shù)據(jù)信息，以便做好后續(xù)的處理準(zhǔn)備。

圖3 軟件系統(tǒng)框圖

圖4 手環(huán)數(shù)據(jù)展示圖

圖5 系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)束語

本文研究的是一款智能化的老人跌倒檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對老人的跌倒檢測、跌倒的語音安慰和處理提示、以及老人身體數(shù)據(jù)的實時展示和老人發(fā)生意外跌倒的緊急通知家屬的功能，實現(xiàn)了老年人跌倒的緊急預(yù)警。在分析了市場上現(xiàn)有的老人跌倒檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從隱私性和智能化兩方面出發(fā)，對現(xiàn)有的跌倒檢測系統(tǒng)進行了改進，為老年人跌倒處理提供了一種解決方案。