程亮亮，魯世斌，張忠祥，陳開放，李 沖

(合肥師范學院 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的船員跌落檢測系統(tǒng)的設計

程亮亮，魯世斌，張忠祥，陳開放，李 沖

(合肥師范學院 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601)

針對目前船員跌落檢測系統(tǒng)功能不完善，且數(shù)據(jù)不能遠距離網(wǎng)絡傳輸?shù)葐栴}，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的船員跌落檢測系統(tǒng)，由可穿戴檢測設備、數(shù)據(jù)采集盒和上位機軟件組成。當發(fā)生船員跌落或沉船事故時可短信報警，此外加速度波形數(shù)據(jù)可由上位機軟件遠程查看。實驗結果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定工作，達到預期設計目標，具有靈敏度高，便攜性好，傳輸距離遠等優(yōu)點，在跌落檢測領域具有一定的實用價值。

物聯(lián)網(wǎng)；可穿戴設備；加速度；跌落檢測

隨著人口老齡化的加劇和人們生活水平的提高，學術界開展了針對老人跌倒檢測系統(tǒng)的研究。跌倒是指突發(fā)"不自主"非故意的體位改變，倒在地上或者更低的平面上，按照國際疾病分類( IDC-10) 對跌倒的分類，跌倒包括以下兩類: (1) 從一個平面至另一個平面的跌落;(2) 同一個平面的跌倒[1]。目前跌倒檢測方法主要有：基于穿戴式傳感器的跌倒檢測[2-4]；基于視頻的跌倒檢測[5-6]；基于聲頻信號的跌倒檢測[7]。

作為水上重要交通工具，船給人們生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來諸多便利性，與此同時，各種自然災害導致的沉船事故屢見不鮮，給人們的生命安全造成極大威脅，如“6.1東方之星沉船事件”仍歷歷在目。本文在前人對跌倒檢測方法研究的基礎上，創(chuàng)新性的將物聯(lián)網(wǎng)技術與基于穿戴式傳感器的跌倒檢測方法相結合，開發(fā)了一種保護船員安全的跌落檢測系統(tǒng)，兼具跌落報警和姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸功能。

1 系統(tǒng)架構設計

如圖1所示，系統(tǒng)由可穿戴檢測設備、數(shù)據(jù)采集盒和上位機軟件三部分構成。可穿戴設備(船員佩戴于腰間)由加速度傳感器、STM32控制器和2.4G無線模塊組成，控制器通過AD模塊讀取加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件濾波后由無線模塊發(fā)送；數(shù)據(jù)采集盒(位于船上)由主控制器、無線模塊、WIFI模塊[8]、GPRS模塊和FLASH存儲器等組成，接收穿戴式設備發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時采集本地加速度，具有本地存儲和網(wǎng)絡發(fā)送兩種模式。當系統(tǒng)檢測到異常時，立即短信報警。上位機軟件基于VB開發(fā)，可實時顯示加速度波形，并可遠程控制。系統(tǒng)主要有以下功能：

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

(1)在船員跌落時，綁定在其腰部的加速度傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈變化，由2.4G無線模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)采集盒，通過GPRS模塊[9]發(fā)送報警短信到預先設定的號碼；

(2)船發(fā)生側翻時，位于船上的數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)部加速度傳感器探測后觸發(fā)GPRS報警；

(3)船員和船的傾斜狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過WIFI同步傳輸?shù)椒掌魃希?lián)網(wǎng)的PC或平板電腦通過上位機軟件可遠程查看；

(4)系統(tǒng)具有存儲功能，存儲容量多達8M字節(jié)，便于回看。

(5)數(shù)據(jù)采集盒配備帶觸摸功能的TFT顯示屏，具有良好的人機交互功能。

2 硬件電路設計

硬件部分分別基于STM32微控制器完成可穿戴設備和數(shù)據(jù)采集盒的電路設計。

2.1 數(shù)據(jù)采集盒電路設計

采集盒電路由電源、無線模塊、微控制器、WIFI模塊、GPRS模塊、TFT液晶屏、加速度傳感器及信號調理電路組成，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集盒框圖

2.1.1 電源模塊設計

電源部分采用18650鋰電池供電，由LM2940-5.0芯片產(chǎn)生5V電壓，LM1117-3.3生成3.3V電壓，供系統(tǒng)使用。為增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，電源輸出部分均采用電容、電感濾波；模擬電源和數(shù)字電源采用磁珠隔離；PCB布局上采用單點接地，以減小數(shù)字電路對模擬電路的干擾。

2.1.2 主控電路設計

主控制器采用意法半導體公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)的STM32F103ZET6芯片，STM32F103ZET6最高主頻為72MHz，具有512KB的FLASH，64KB的SRAM，片上自帶SPI、I2C、USART、PWM、USB、CAN、AD、DA、SDIO等豐富模塊，是一款真正的片上系統(tǒng)(SOC)芯片，此外它還有睡眠(Sleep)、停機(Stop)、待機(StandBy)等多種低功耗模式，方便應用于電池供電的場合，本系統(tǒng)STM32控制器[10]通過SPI接口連接2.4G無線模塊，串口連接WIFI模塊、GPRS模塊和TFT串口屏，AD模塊采集加速度數(shù)據(jù)。

2.1.3 通信部分設計

通信部分由2.4G射頻模塊、WIFI模塊和GPRS模塊組成。其中2.4G射頻模塊采用NRF24L01+模塊，最大速率2Mbps，工作電壓范圍為1.9V到3.6V，具有125個頻點，在6dBm發(fā)射功率時電流消耗為9mA，接收模式消耗12.3mA。WIFI模塊和GPRS模塊分別采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司的USR-C322和USR-GM3模塊，USR-C322模塊基于TI公司的CC3200設計，具有體積小，功耗低等特點，待機功耗3.5mA，深度睡眠狀態(tài)下低至25uA。USR-GM3模塊具有短信透傳、網(wǎng)絡透傳和HTTPD三種模式，最高支持921600bps的串口通信，本系統(tǒng)采用波特率為115200的短信透傳模式。

2.1.4 加速度采集模塊設計

加速度傳感器采用ADXL203芯片，為降低噪聲，采用二階低通濾波電路完成濾波，濾波器截止頻率為200Hz，采用低功耗OP496運放設計，如圖3所示。

圖3 二階低通濾波電路

圖4 可穿戴檢測設備框圖

2.2 可穿戴檢測設備

如圖5所示，可穿戴檢測設備由電源、STM32控制器、加速度傳感器和2.4G無線模塊組成，為減小體積，設備采用紐扣電池，使用 TPS76333低功耗LDO供電，提供穩(wěn)定的3.3V電壓。主控芯片采用ST公司的STM32F103C8T6芯片。加速度傳感器為ADXL335芯片，測量范圍為±3G，可測量靜態(tài)重力加速度和由運動、沖擊、振動引起的動態(tài)加速度，供電部分通過FB1磁珠和C1電容濾波，三軸信號輸出均使用100pF電容接地濾波，提高信號純凈度。

圖5 ADXL335功能框圖

圖6 加速度采集電路圖

3 軟件功能設計

系統(tǒng)軟件包含下位機嵌入式程序和上位機軟件設計兩部分，其中下位機包括穿戴式檢測設備和數(shù)據(jù)采集盒程序設計，在Keil MDK-ARM集成開發(fā)環(huán)境下基于C語言開發(fā)；上位機軟件基于微軟公司的Visual Basic 6.0軟件開發(fā)。

3.1 嵌入式軟件設計

采集盒主程序流程圖如圖7所示，系統(tǒng)上電后，完成STM32控制器內(nèi)部時鐘(RCC)、定時器(TIM)、通用IO口(GPIO)、串口(USART)、異步串行總線(SPI)、模擬數(shù)字轉換器(ADC)等模塊的初始化，此外通過SPI總線對NRF24L01+模塊進行配置。收到船員和船加速度數(shù)據(jù)后，由中值濾波算法濾除干擾數(shù)據(jù)，累計十次數(shù)據(jù)持續(xù)超過正常值，即判定為船員跌落，由GPRS模塊發(fā)送短信報警；若數(shù)據(jù)正常，則可本地保存或遠程上傳(TFT觸摸屏或上位機軟件控制)。

圖7 采集盒主程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機波形繪制使用PictureBox控件實現(xiàn)，功能區(qū)設計如圖8所示，具有上傳、存儲、采集控制、遠程關機等功能。通信功能使用MSComm控件實現(xiàn)，通過虛擬串口軟件將TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)轉換為串口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)參數(shù)為“115200,N,8,1”，即波特率為115200，無奇偶校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

圖8 上位機軟件功能區(qū)

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)可行性，將采集盒平放在測試平臺進行模擬測試。表1為數(shù)據(jù)采集盒正常、傾斜及沉船狀態(tài)下隨機采集的X軸、Y軸加速度AD值，采集任務由STM32內(nèi)部12位AD模塊完成，數(shù)值范圍為0～4095。根據(jù)傾斜程度，定義值為1144～1455時船為前傾狀態(tài)(船尾低于船頭)，值為995～1144時沉船(船頭沉)，值為1807～2178時船為后傾狀態(tài)(船頭低于船尾)，值為2178～2315時沉船(船尾沉)，沉船時啟動蜂鳴器報警。表2為可穿戴設備不同狀態(tài)隨機采集的的加速度值，船員跌倒時加速度值為1641～2487，在此區(qū)間啟動報警。圖9為通過實驗室模擬跌倒過程的加速度變化數(shù)據(jù)。曲線突然上升，說明船員跌倒。圖10和圖11為系統(tǒng)上位機測試界面，圖10是船員和船在相對靜止狀態(tài)時的波形，可見各通道加速度數(shù)據(jù)基本保持不變。圖11是劇烈運動時的波形，此時波形變化較大。

表1 數(shù)據(jù)采集盒加速度采集數(shù)據(jù)

表2 可穿戴設備加速度采集數(shù)據(jù)

圖9 船員跌倒過程加速度變化

圖10 相對靜止狀態(tài)下檢測軟件界面

圖11 劇烈運動狀態(tài)下檢測軟件界面

5 結論

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于跌落檢測系統(tǒng)，具有傳輸距離遠等優(yōu)點。系統(tǒng)通過加速度傳感器檢測人和船的傾斜狀態(tài)，通過算法判斷跌落狀況，從而決定是否短信報警，此外各通道數(shù)據(jù)可遠程查看，方便了解船的運行狀態(tài)。系統(tǒng)稍作改變，即可應用于其他場合，如基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，具有一定的實用價值。

[1] 卓從彬, 楊龍頻, 周林,等. 基于MPU6050加速度傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)設計[J]. 電子器件, 2015(4):821-825.

[2] 劉鵬, 盧潭城, 呂愿愿,等. 基于MEMS三軸加速度傳感器的摔倒檢測[J]. 傳感技術學報, 2014(4):570-574.

[3] Li Q, Stankovic J A, Hanson M A, et al. Accurate, Fast Fall Detection Using Gyroscopes and Accelerometer-Derived Posture Information[C]// International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks, Bsn 2009, Berkeley, Ca, Usa, 3-5 June. 2009:138 - 143.

[4] 羅堅, 唐琎, 毛芳,等. 基于云計算的可穿戴式老齡人異常行為檢測系研究[J]. 傳感技術學報, 2015(8):1108-1114.

[5] Anderson D，Keller J，Skubic M，et al. Recognizing Falls from Silhouettes[C]//Annual Int.Conf. of the Engineering in Medicine and Biology Society，New York，NY USA，2006：6388-6391.[6] Cucchiara R，Prati A，Vezzani R. A Multi camera Vision System for Fall Detection and Alarm Generation[J]. Expert Systems，2007，24(5)：334-345.

[7] Litvak D，Zigel Y，Gannot I. Fall Detection of Elderly Through Floor Vibrations and Sound[C]//30th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology. Vancouver Canada，2008：4632-4635.

[8] 吳紅舉, 沈建華. 嵌入式WiFi技術研究與通信設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2005(6):5-7.

[9] 趙亮, 黎峰. GPRS無線網(wǎng)絡在遠程數(shù)據(jù)采集中的應用[J]. 計算機工程與設計, 2005, 26(9):2552-2554.

[10] Li D, Song Z, Mengmeng X U, et al. Design of embedded measurement and control system based on STM32[J]. Journal of Central South University, 2013.

Design of Crew Fall Detection System Based on Internet of Things

CHEN Liangliang, LU Shibin, ZHANG Zhongxiang, CHEN Kaifang, LI Chong

(School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China)

In view of function of imperfectcurrent crew fall detection system, and data which cannot be transmitted remotely via network, this paper proposed crew fall detection system based on Internet of things, which is composed of wearable testing equipment, data collection box and upper computer software. When a crew member falls or ship sinking happens, alarm messages will be sent. In addition, the acceleration waveform data can be viewed by the upper computer software. The experimental results show that system works stably and achieves the expected design goal. It has the advantages of high sensitivity, good portability, far transmission distance and so on. It has certain practical value in the field of fall detection.

Internet of things; wearable; acceleration; fall detection

2016-07-10

程亮亮，碩士，合肥師范學院電子信息工程學院教師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

TP332.1

A

1674-2273(2016)06-0021-04