仲小英ZHONG Xiao-ying

（蘇州健雄職業(yè)技術學院電氣工程學院，太倉 215400）

（School of Electrical Engineering，Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology，Taicang 215400，China）

0 引言

目前，中國正經(jīng)歷史上規(guī)模最大、速度最快的老齡化進程，獨居老人的數(shù)量也越來越多。隨著老人自身保護能力的下降，經(jīng)常會發(fā)生獨居老人意外跌倒而未能及時救助從而造成嚴重后果的現(xiàn)象，這也成為了很多子女的顧慮。據(jù)統(tǒng)計顯示，其實多數(shù)嚴重后果并非源自摔倒本身，而是在于摔倒后未能及時救助處理，如果在摔倒后第一時間通知到救護人員救助，則可大大降低摔倒后的危險程度。

為使老人在摔倒后能得到及時救助，減少意外發(fā)生，本文設計了一個基于MSP430F149 單片機的腕帶式摔倒檢測系統(tǒng)，老人平時將其帶在手腕上，自動識別老人是否摔倒，避免誤判、誤報警，通過系統(tǒng)分析，做出正確的判斷，第一時間通過短信通知家人，為老人摔倒后提供必要的幫助。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用三軸加速度傳感器ADXL345 和MSP430F149 單片機連接完成居家老人的摔倒檢測，通過ADXL345 加速度傳感器來實時檢測老人行動時三個軸向的加速度，然后由MSP430F149 單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行判斷老人是否發(fā)生摔倒情況，一旦發(fā)生摔倒現(xiàn)象，則第一時間通過GSM 短信告知家人。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

1.1 系統(tǒng)控制模塊 本系統(tǒng)的核心控制模塊采用了美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149 單片機?？紤]到設備使用的方便性，此產(chǎn)品結構采取腕帶式設計，方便老人日常攜帶，但對于終端設計的空間上來講會卻會受到一定的限制，由于MSP430 單片機內(nèi)部集成了許多高性能模塊，高集成度使芯片體積很小，而且生產(chǎn)成本低價格便宜，故采用其作為本系統(tǒng)的核心控制模塊。通過該模塊完成對ADXL345 加速度傳感器所采集的信號綜合處理分析來判斷摔倒狀態(tài)并決定是否發(fā)出求助報警信號。

在MSP430F149 單片機最小系統(tǒng)電路設計中，由于其自身已集成了數(shù)字控制振蕩器，故在時鐘電路的設計上外圍只需設計高低頻晶體振蕩器兩部分電路，其中低頻晶體振蕩器采用了32.768kHz 貼片晶振，使低頻晶體振蕩器默認工作在低頻模式；高頻晶體振蕩電路為系統(tǒng)的第二振蕩器，采用了8MHz 的高頻晶振，主要為系統(tǒng)在高頻模式下工作時提供時鐘。

復位電路的設計，其性能決定了系統(tǒng)運行過程中若出現(xiàn)“死機”或“程序跑飛”等現(xiàn)象時，通過復位是否能及時使單片機從錯誤中恢復到正常的工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中采用了上電復位，通過100k 的上拉電阻和0.1uf 的電容來保證上電時RST 管腳的高電平。但是由于MSP430F149 單片機的超低功耗的特點，其在斷電后馬上上電會出現(xiàn)系統(tǒng)中電容存儲的電荷來不及完全釋放從而導致復位失敗的現(xiàn)象，故在設計中通過在電阻兩端增加了一個二極管IN4008 來快速放電，從而提高復位電路的可靠性。

1.2 三軸加速度傳感器ADXL345 模塊 ADXL345 是目前運用較廣的一種MEMS 三軸加速度傳感計。其內(nèi)置的運動狀態(tài)檢測功能和中斷系統(tǒng)，幾乎無需具體加速度數(shù)值，從而最大限度地降低了算法的復雜程度。由于老年人的動作相對較慢，在正常步行動作中，加速度變化并不是很明顯（如圖2 中4 的區(qū)域變化曲線所示）。而在老人發(fā)生摔倒現(xiàn)象時，其X、Y、Z 三軸的加速度變化波動較為厲害，會經(jīng)歷失重、撞擊、靜止三個過程（變化曲線如圖2 中1、2、3 區(qū)域所示）。

圖2 跌倒狀態(tài)

本系統(tǒng)中手腕式摔倒檢測儀則利用這四個關鍵特性作為摔倒檢測的標準，從而來構成整個摔倒檢測的算法。首先利用ADXL345 的失重中斷的發(fā)生來作為判斷老人是否摔倒的第一個依據(jù)。其次在失重中斷之后出現(xiàn)的撞擊中斷作為判斷老人是否摔倒的第二個依據(jù)。之后再將撞擊中斷之后是否發(fā)生靜止判斷作為老人摔倒的第三個判斷依據(jù)。而老人在摔倒之后，人體會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，x、y、z 這三軸加速度與跌倒前的初始狀態(tài)是不相同的，通過所采集的數(shù)據(jù)與初始狀態(tài)進行分析，若超過一定的范圍，則可判斷老人發(fā)生摔倒現(xiàn)象。本系統(tǒng)電路的設計中，ADXL345 加速度傳感器與MSP430 之間采用的是4 線SPI 的通信方式。通過在電源引腳連接上0.1uf 的電容和1uf 的電容來對加速度傳感器ADXL345 進行充分的去耦，如圖3 所示。

圖3 加速度傳感器摔倒檢測模塊

1.3 GSM 模塊 該模塊設計的作用是將老人摔倒這個信息發(fā)送給自己的親人，便于親人在第一時間得知突發(fā)情況，采取措施及時救助，本設計選用了西門子公司研發(fā)的MC35 GSM/GPRS 無線通信模塊。在電路設計中，通過在電源輸入端并聯(lián)一個100uf 的旁路電容和一個0.1uf 的電容來保證電源電壓不低于3.3V，從而確保MCS 模塊能以最大功率工作；在SIM 卡的接口電路中，在MC35 模塊和SIM 卡之間通過串聯(lián)一個22Ω 的電阻來抑制雜散的電磁干擾。

1.4 電源模塊 考慮到系統(tǒng)使用的便捷性，本系統(tǒng)的電源供電采用了3.7V 的鋰電池。GSM 模塊的供電則通過在3.7V 的電源上外加濾波以及退耦電容而實現(xiàn)；另外，由于MSP430F149 單片機、ADXL345 加速度傳感器供電需要3.3V 的電壓，故本設計中采用AME8827-3.3 穩(wěn)壓模塊來完成3.3V 電壓的輸出。AME8827-3.3 是一種低壓差線性穩(wěn)壓器，它的輸入電壓范圍為2.5-5.5V，可以固定輸出3.3V 的電壓，其外圍電路比較簡單，只需要在輸入端并聯(lián)一個1uf 的電容來抑制噪聲，提高電路瞬態(tài)響應，輸出端并聯(lián)一個4.7uf 的電容來減少輸出噪聲和電路的負瞬態(tài)響應。

2 軟件設計

圖4 主控程序流程圖

本系統(tǒng)的工作流程是控制系統(tǒng)將ADXL345 模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理結果通過GSM 模塊發(fā)送到家人的手機上。MSP430F149 單片機在上電之后，各模塊終端初始化，單片機通過中斷的方式對各模塊進行不斷的掃描，當ADXL345 模塊通過四個依據(jù)判斷老人摔倒后，將此信息發(fā)送給MSP430F149單片機，單片機通過分析，開啟GSM模塊，將此信息發(fā)送到家人的手機上。主控程序流程如圖4 所示。

ADXL345 摔倒檢測算法流程圖如圖5 所示。通過單片機根據(jù)摔倒過程中四個關鍵條件來判斷是否摔倒報警。需要注意的是ADXL345 模塊中的中斷之間的時間間隔必須在一定范圍之內(nèi)。在一般的情況下，特別是FREE_FALL 中斷（失重產(chǎn)生的）與Activity 中斷（跌倒撞擊產(chǎn)生的）之間的時間間隔不能夠特別的長，除非從非常高的地方跌倒。類似地，Activity 中斷（沖擊）與Inactivity 中斷（靜止）之間的時間間隔也不應過長，相關的中斷檢測閾值和時間參數(shù)可根據(jù)需要靈活設置。另外，如果跌倒導致昏迷等嚴重后果，人體保持靜止的時間會更長。這種狀態(tài)仍然可以通過Inactivity 中斷檢測到。因此，如果跌倒后檢測到Inactivity 狀態(tài)持續(xù)一定長的時間，則可發(fā)出緊急報警。

圖5 ADXL345 算法流程圖

3 結語

隨著“智慧養(yǎng)老”逐步走入人們的生活，摔倒檢測系統(tǒng)也將是推動智能化養(yǎng)老進程中一個重要的部分。摔倒檢測系統(tǒng)是一種個人遠程監(jiān)護系統(tǒng)，保護了老年人群的健康與安全，它可以有效檢測老年人是否發(fā)生跌倒并及時報警[6]。所以，摔倒檢測技術愈發(fā)地受到社會各界科研院所的重視。本系統(tǒng)解決方案通過ADXL345 硬件中斷實現(xiàn)，具有算法復雜度底、檢測準確率高的特點；同時將超低功耗單片機芯片MSP430F149 作為主控芯片實現(xiàn)摔倒檢測，價格低廉方便實用，可在生產(chǎn)上廣泛推廣應用。

[1]石婷，賀志楠.基于Android 平臺的老人摔倒檢測系統(tǒng)設計[J].電子科技，2014，27（9）：82-84.

[2]陳迪榮，李文鈞.可用于智能養(yǎng)老院系統(tǒng)終端的電路設計[J].電子器件，2012，35（3）：358-360.

[3]郭穩(wěn)濤,何怡剛.智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：109-112.

[4]李兵水,孫兆輝.城市社區(qū)居家養(yǎng)老服務存在的問題和對策研究[J].保定學院學報,2013,26(1):29-32.

[5]沈建華，楊艷琴，翟曉曙.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6]臧楠.老人跌倒檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學，2013，12.