張玉晨

【摘要】本文主要介紹了基于LPC1114單片機(jī)的緊急行為檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在文章中詳細(xì)的分析了緊急行為檢測(cè)模塊的功能需求與特點(diǎn)，描述了系統(tǒng)的軟件硬設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，綜合考慮了系統(tǒng)的功耗需求和性能需求。

【關(guān)鍵詞】設(shè)計(jì);LPC1114;行為檢測(cè)模塊

Abstract：This paper mainly introduces the design and implementation of emergency behavior detection unit.The feature and requirement of emergency behavior detection unit is analyzed in detail.System hardware and software are both described in block diagrams.And the system design take power consumption and performance into account.

Keywords：design;emergency behavior detection;LPC1114

1.介紹

隨著社會(huì)的發(fā)展，眾多國(guó)家的社會(huì)都進(jìn)入到了老齡化的社會(huì)，老年人在國(guó)家的人口比重中越來越大，更好的服務(wù)老年人，對(duì)于所有的國(guó)家來說都是一個(gè)亟待解決的問題。而本文所述的緊急行為檢測(cè)模塊就是針對(duì)老年人所設(shè)計(jì)的設(shè)備。它布置在老人的腰間，就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)老年人是否處于摔倒需要報(bào)警的狀態(tài)。一旦老年人發(fā)生了緊急的行為，緊急信息會(huì)馬上發(fā)送給緊急聯(lián)系人或者醫(yī)院，進(jìn)行最實(shí)時(shí)的處理。文章的結(jié)構(gòu)大致如下，第二章會(huì)列舉行為檢測(cè)系統(tǒng)的一些特點(diǎn)和相關(guān)的功能及非功能性的需求。第三章會(huì)簡(jiǎn)要的介紹行為檢測(cè)模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)的構(gòu)成。

2.緊急行為檢測(cè)模塊的特點(diǎn)

行為檢測(cè)模塊主要用于檢測(cè)老年人的行為是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)。它在工作過程中會(huì)不停的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并在單片機(jī)的處理器上針對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)行行為檢測(cè)算法，當(dāng)它檢測(cè)到老人處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)會(huì)通過藍(lán)牙模塊向綁定的手機(jī)發(fā)送緊急數(shù)據(jù)，而手機(jī)則會(huì)通過電話或者短信的形式通知緊急聯(lián)系人或者醫(yī)院來救助老人。

總而言之，緊急行為檢測(cè)模塊實(shí)則是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)伴隨一些控制。由于行為檢測(cè)模塊是布置在人體表面，出于安全和移動(dòng)性的考慮，檢測(cè)模塊會(huì)以電池作為能量來源。

功能性需求：

●低電壓提示，當(dāng)電池電壓過低，需要充電時(shí)，點(diǎn)亮LED指示燈。

●過熱保護(hù)，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)溫度過高時(shí)，主動(dòng)斷開充電電路。

●藍(lán)牙連接指示，處于斷開狀態(tài)時(shí)，LED燈點(diǎn)亮提示。

●運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集，每隔一定周期進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，頻率在50Hz以上。

●行為檢測(cè)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，出現(xiàn)緊急情況時(shí)必須通知緊急聯(lián)系人或醫(yī)院。

●緊急按鍵，當(dāng)老人覺得已處于緊急狀態(tài)時(shí)，可以通過緊急按鍵向聯(lián)系人發(fā)送報(bào)警信息。

非功能性需求：

●系統(tǒng)的功耗必須要足夠低，至少要保證在全天大部份時(shí)間都可以實(shí)時(shí)檢測(cè)老人的狀態(tài)。

●緊急數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，必須實(shí)時(shí)發(fā)送給聯(lián)系人或醫(yī)院。

3.行為檢測(cè)模塊軟硬件構(gòu)成

我們所設(shè)計(jì)的行為檢測(cè)模塊主要由軟硬件兩個(gè)部份組成。以下的兩章會(huì)具體的介紹行為檢測(cè)模塊的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

3.1 緊急行為檢測(cè)模塊硬件組成

系統(tǒng)所采用的處理器是LPC1114，是基于ARM-Cortex M0核的一款32位低功耗單片機(jī)，擁有32KB的Flash存儲(chǔ)空間，和8KB的SRAM，主頻可以提升至50MHz。具備多種常用的外圍電路。

行為檢測(cè)模塊的硬件組成如圖1所示：

圖1 硬件原理圖

如圖1所示，三軸加速度運(yùn)動(dòng)傳感器是通過I2C總線和LPC1114單片機(jī)連接起來的。而藍(lán)牙則是通過串口與之相連。其它的資源比如緊急按鍵， LED指示燈，蜂鳴器還有溫度傳感器則是通過IO口進(jìn)行控制的。其中溫度傳感器通過ADC轉(zhuǎn)換將模擬的溫度值變換成實(shí)際的溫度數(shù)據(jù)。

表1 典型情況下的供電電流

模式 系統(tǒng)時(shí)鐘 典型電流 單位

激活 50MHz 9 mA

激活 12MHz 3 mA

休眠 12MHz 2 mA

深度休眠 N/A 6 uA

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖3 傳統(tǒng)軟件流程圖

圖4 基于中斷的軟件流程圖

模塊的供電是由300mAh的鋰電池來實(shí)現(xiàn)的，模塊還搭載了充電芯片，可以對(duì)其進(jìn)行充電，以及充電控制。

3.2 緊急行為檢測(cè)模塊軟件組成

系統(tǒng)的軟件主要由圖2所示的幾個(gè)模塊組成。

如圖2所示，我們的軟件模塊有緊急按鍵檢測(cè)，藍(lán)牙連接檢測(cè)，行為識(shí)別，三軸加速度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集，過熱保護(hù)，還有電源指示，六個(gè)部分組成。

其中緊急行為檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)是基于D-S證據(jù)理論所進(jìn)行的傳感器數(shù)據(jù)融合來實(shí)現(xiàn)的，不屬于本文所討論的范疇，不做描述。

傳統(tǒng)的對(duì)功耗不敏感的嵌入式軟件設(shè)計(jì)可能非常簡(jiǎn)單，它可以是如圖3所示結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)的好處就是簡(jiǎn)單，清晰，不易出錯(cuò)，也可以作為其它版本程序的一個(gè)參考。它的不足之處也非常明顯，單片機(jī)一直都處于工作狀態(tài)，不停地在一個(gè)接一個(gè)的輪詢硬件的狀態(tài)，并針對(duì)硬件狀態(tài)所發(fā)生的改變而作出相應(yīng)的處理。比如，查詢?nèi)S加速度運(yùn)動(dòng)傳感器是否有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，并對(duì)于所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行行為算法的檢測(cè)處理。

這樣的處理方式就造成了操作上的冗余。單片機(jī)有絕大部份的處理能力浪費(fèi)在了不停的輪詢上。硬件本身其實(shí)并不需要這么頻繁的訪問。部份單片機(jī)的處理時(shí)間是在做無用的行為。

而且單片機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于它在休眠狀態(tài)下的功耗。詳細(xì)的參數(shù)如表1所示，LPC1114的處理器在激活狀態(tài)和休眠狀態(tài)相差7mA。

針對(duì)這個(gè)問題，本文中的設(shè)計(jì)是采用了一種基于中斷的軟件設(shè)計(jì)策略來優(yōu)化整體功耗。

經(jīng)過對(duì)原有軟件執(zhí)行流的分析，可以發(fā)現(xiàn)，硬件多數(shù)都具備中斷的能力，完全可以采用基于中斷的方式來優(yōu)化單片機(jī)的冗余訪問。對(duì)于無法提供中斷能力的硬件或者內(nèi)部的功能塊，可以利用芯片上的定時(shí)器電路制造人為的中斷來減少單片機(jī)的冗余訪問。

經(jīng)過優(yōu)化后，軟件的結(jié)構(gòu)就變成了如圖4所示的情形。

可以看到，這個(gè)方式對(duì)于軟件的改動(dòng)并不大，但是卻獲得了功耗上的降低。通過實(shí)驗(yàn)可以證明，在傳統(tǒng)的流程圖下，整個(gè)系統(tǒng)的功耗在25～26mA，而在基于中斷的流程圖下，則僅有20mA。系統(tǒng)的工作時(shí)間得到了延長(zhǎng)。

4.總結(jié)

本文描述了一個(gè)緊急行為檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，著重的強(qiáng)調(diào)了軟件模塊的設(shè)計(jì)與分析，并通過基于中斷的軟件設(shè)計(jì)，從整體上降低了模塊的功耗。

參考文獻(xiàn)

[1]White.E[M].Making Embedded Systems，1stEd，OReilly Media，2011.

[2]W.Li，J.Bao，X.Fu，G.Fortino and S.Galzarano“Human postures recognition based on D-S evidence theory and multi-sensor data fusion”，Proc.12th IEEE/ACM Int.Symp.Cluster，Cloud Grid Comput.，pp.912-917 2012.

[3]基于ARM的嵌入式系統(tǒng)程序開發(fā)要點(diǎn)（四）異常處理機(jī)制的設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003.

[4]基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中斷處理機(jī)制研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005.