摘 要：為了便于對(duì)老人、兒童及智障者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，給出了一種采用B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)的、適用于戶外監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)由監(jiān)護(hù)終端、通信鏈路、監(jiān)控中心組成，系統(tǒng)集GPS定位技術(shù)、GPRS通信技術(shù)、摔倒檢測(cè)技術(shù)為一體。監(jiān)護(hù)終端通過(guò)GPRS將采集到的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器，以便于客戶端可以隨時(shí)通過(guò)WWW瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，從而達(dá)到預(yù)防走失和摔倒警報(bào)之目的。

關(guān)鍵詞：戶外監(jiān)護(hù)；B/S架構(gòu)；GPS定位；GPRS通信；摔倒檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）01-0060-03

0 引 言

據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)[2]，我國(guó)老年人口增長(zhǎng)將分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是平緩加速階段（ 2000—2028年） ，65歲及以上人口將從不足1億增加到并超過(guò)2 億，平均每年增加近400萬(wàn)； 第二個(gè)階段是急速增加階段（ 2028—2038 年） ，65歲及以上人口將由2億增加到并超過(guò)3億，平均每年增加1 000萬(wàn)； 第三個(gè)階段是基本平穩(wěn)階段（ 2038—2050） 年，65歲及以上人口將由 3億增加到3.34億，平均每年增加280萬(wàn)。老年人口激增，社會(huì)對(duì)應(yīng)用于老年人的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的需求越來(lái)越迫切。摔倒是老年人經(jīng)常遇到的危險(xiǎn)情況，尤其是老人摔倒后未得到及時(shí)救治已成為造成老年人意外傷亡的首要原因。另外，老人、智障者以及兒童“走失”的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，也成為困擾許多家庭的難題。因此，開(kāi)發(fā)一款實(shí)用便捷的戶外監(jiān)護(hù)系統(tǒng)非常有意義。目前市場(chǎng)上存在的戶外監(jiān)控系統(tǒng)多為針對(duì)用戶地理位置的，并沒(méi)有摔倒檢測(cè)功能，監(jiān)控平臺(tái)多為采用C/S架構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的，同時(shí)也具備摔倒檢測(cè)功能，因而具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)終端和監(jiān)控中心兩大部分組成。監(jiān)護(hù)終端以MCU（Micro Control Unit）微控制器為中心，在GPS衛(wèi)星定位模塊、摔倒檢測(cè)模塊和GPRS/GSM無(wú)線通信模塊的配合下，實(shí)現(xiàn)位置信息的采集、摔倒判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)在外觀上制作成腕表的樣式，以便于攜帶。監(jiān)控中心采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)設(shè)計(jì)，這種架構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)老人摔倒后的及時(shí)準(zhǔn)確警報(bào)，對(duì)老年人、兒童、智障者的準(zhǔn)確定位追蹤。為保證以上總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)需要達(dá)到三個(gè)具體目標(biāo)：第一，摔倒檢測(cè)算法的優(yōu)化，既要使算法的準(zhǔn)確性滿足要求，確保足夠低誤報(bào)率，又要使算法盡可能簡(jiǎn)潔，保證實(shí)時(shí)性的要求。第二，警報(bào)信息的及時(shí)準(zhǔn)確傳輸，確保無(wú)線通信模塊準(zhǔn)確地響應(yīng)MCU微控制器的指令，并把用戶的地理位置信息實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)端。第三，用戶地理位置的遠(yuǎn)程追蹤，查詢實(shí)時(shí)化，并保證可以通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢用戶的歷史記錄和進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由衛(wèi)星定位模塊、摔倒檢測(cè)和無(wú)線通信三個(gè)模塊組成。衛(wèi)星定位模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶所處位置和移動(dòng)速度參數(shù)，摔倒檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度參數(shù)，無(wú)線通信模塊用于發(fā)送警報(bào)和求救信息，實(shí)時(shí)上傳用戶所處位置信息到遠(yuǎn)程服務(wù)端。各模塊在MCU的控制下相互配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

2.1 MCU微控制器

MCU采用msp430f149單片機(jī)，該單片機(jī)采用16位的RSIC結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行速度快，單條指令執(zhí)行的時(shí)間只需125 ns。同時(shí)該單片機(jī)具有超低功耗的特點(diǎn)，在待機(jī)模式下工作的電流只有1.6 μA，就是在2.2 V、1 MHz的活動(dòng)模式下工作電流只有280 μA[7]。因此，選用這款單片機(jī)作為本系統(tǒng)的MCU非常合適。

2.2 衛(wèi)星定位模塊

衛(wèi)星定位模塊采用環(huán)天世通科技公司ET-662衛(wèi)星接收模塊，該模塊具有體積小，敏感度高，定位速度快等特點(diǎn)。它通過(guò)UART與MCU通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，定位數(shù)據(jù)每秒刷新一次。

2.3 摔倒檢測(cè)模塊

摔倒檢測(cè)模塊采用亞德諾半導(dǎo)體公司（Analog Device）生產(chǎn)的ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計(jì)，分辨率高（13位），測(cè)量范圍達(dá)±16 g，可通過(guò)SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)[8]。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，既可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。在本系統(tǒng)中，ADXL345采用I2C接口與MSP430F149通信。

2.4 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊，它是一款二頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHz和DCS 1 800 MHz，支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式CS -1、CS-2、CS-3、CS-4。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，所以在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA。此外， SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用時(shí)非常有用。在本系統(tǒng)中，SIM900A采用UART接口與MSP430F149通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

戶外監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件分為終端監(jiān)護(hù)程序和監(jiān)控中心兩個(gè)部分。終端監(jiān)護(hù)程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶信息的采集和傳輸，監(jiān)控中心軟件主要是完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，及交互界面的設(shè)計(jì)。

3.1 終端監(jiān)護(hù)程序

本系統(tǒng)的終端監(jiān)護(hù)程序流程圖如圖3 所示。

圖3中，首先是對(duì)MCU進(jìn)行初始化，之后MCU處于偵聽(tīng)狀態(tài)，一旦檢測(cè)到摔倒、查詢、定時(shí)中斷，MCU做出相應(yīng)的響應(yīng)。其中摔倒的優(yōu)先級(jí)最高，查詢其次，定時(shí)中斷的優(yōu)先級(jí)最低。主要完成以下三個(gè)任務(wù)：第一，接收摔倒檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)摔倒檢測(cè)算法，判定是否摔倒；第二，接收無(wú)線通信模塊的用戶狀態(tài)查詢請(qǐng)求，并根據(jù)查詢請(qǐng)求的內(nèi)容回復(fù)用戶所處位置、移動(dòng)速度和行動(dòng)方向等信息；第三，接收衛(wèi)星定位模塊的數(shù)據(jù)幀，提取數(shù)據(jù)幀中的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將該坐標(biāo)值發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)以上三個(gè)任務(wù)，可將終端監(jiān)護(hù)程序劃分為摔倒判定模塊、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、用戶狀態(tài)查詢回復(fù)模塊。

3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用三層 B/S 體系結(jié)構(gòu)，是對(duì) C/S（Client/Server） 結(jié)構(gòu)的一種變化或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)[9]。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過(guò)WWW瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，少部分事物邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，主要事物邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，形成所謂的三層架構(gòu)。

監(jiān)控中心與客戶端之間的體系架構(gòu)可以分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層。表示層支持矢量圖形數(shù)據(jù)的顯示和地圖操作，將位置信息經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成獨(dú)立的圖層，疊加在背景電子地圖上；業(yè)務(wù)邏輯層用于實(shí)現(xiàn)客戶端和 Web Server 服務(wù)器之間的通信，主要完成 GPS 定位信息處理、GIS 處理和摔倒警報(bào)信息處理等功能；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層主要負(fù)責(zé)用戶摔倒信息數(shù)據(jù)庫(kù)、GPS信息數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和日志文檔的存儲(chǔ)管理和維護(hù)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和表示層被業(yè)務(wù)邏輯層分隔，客戶端訪問(wèn)的是應(yīng)用程序，由應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢和存取，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)簡(jiǎn)化了對(duì)數(shù)據(jù)的管理。監(jiān)控中心與客戶端之間的體系架構(gòu)圖如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一套從底層硬件到上層軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以滿足對(duì)老人、兒童和智障者的日常監(jiān)護(hù)。底層硬件采用功耗低、穩(wěn)定度高、體積小的器件，符合戶外用品對(duì)實(shí)用性要求高的特點(diǎn)。上層軟件采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有使用方便、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)?？傊?，該方案必將在很大程度上消除老人、兒童和智障者的日常生活隱患，為老人、兒童和智障者的日常生活保駕護(hù)航。

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