來志勇 吳柯漢 蔣志震 劉海波 張敏敏

摘要：當今社會進入老齡化，老人外出或獨居時，由于身體機能下降，容易跌倒，而由跌倒造成的損傷，使得住院率和死亡率大大提高，帶來了嚴重的社會經濟負擔。因此，在不影響老年人正?；顒拥那疤嵯?，通過科學的手段監(jiān)測老年人的活動，在檢測到跌倒后迅速報警求助，可以有效地減少老年人跌倒帶來的健康傷害和醫(yī)療開支。在分析比較國內外跌倒檢測相關技術研究后，本文提出了一種基于ADXL345傾角傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)。ADXL345傾角傳感器實時采集老人在日?；顒又挟a生的傾角數據，然后將數據送到單片機STC89C52進行處理，并判斷老年人的運動狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到跌倒發(fā)生時，發(fā)出報警聲音提醒老人和周圍的人，并且能夠將報警短信和位置短信發(fā)送到提前設定好的親人手機上。

關鍵詞：老人防跌倒;報警器;傾角傳感器;GPS;GSM

引言

現如今中國逐漸步入老齡化社會，獨居老人、孤寡老人等等，子女、親人不能24小時在身邊陪伴，他們的生活、身體的變化不易被子女察覺，無法得到隨時隨地的關心和照顧。據數據顯示，中國約有三分之一的65歲及以上老年人每年跌倒1次或多次，而且比例隨年齡增長而增加，80歲以上老年人跌倒的年齡發(fā)生率更是高達50%！老人跌倒后會產生一系列身體傷害及并發(fā)癥，嚴重的會導致髖部骨折，髖部骨折的老人后期壽命會減少，且生活質量也顯著下降。因此，預防跌倒是應對“老齡化”的有效保障。為了及時關注老年人的日常情況，本文設計了一種基于單片機的老人跌倒報警裝置，對老年人姿態(tài)變化進行監(jiān)測，當老年人發(fā)生跌倒或者遭遇其它意外危險時，能夠讓家人第一時間知道老年人的位置信息，并得到及時的救治從而保證老年人的生命安全。從而減少家屬不在身邊時跌倒對于老年人造成的二次危害，減少經濟損失，提高老年人的生活質量。實際上，這款裝置還可以為行動不便的人或殘疾人朋友的出行提供便利。

1國內外研究現狀

采用適當的傳感器，獲取合理的數據，通過恰當的算法來對采集的數據進行處理，判斷跌倒的發(fā)生，并遠程傳輸老人跌倒的求救信息，這就是老人跌倒報警裝置的主要研究內容。目前，國內、外對跌到檢測系統(tǒng)的研究很多，主要方法可分為以下幾種：

（1）基于視頻圖像檢測

基于視頻圖像的檢測方法采用攝像頭獲取人體活動圖像，通過圖像處理算法對獲取的人體活動圖像進行圖像處理，判斷人體是否發(fā)生跌倒。

圖1基于視頻圖像檢測

基于視頻圖像檢測的優(yōu)點是人體不需要攜帶任何設備，檢測過程對人體沒有干擾，缺點是視頻圖像的分析受光線、環(huán)境等的影響較大，且只能用于室內檢測，檢測范圍有限，并且隨著現代人對個人隱私越來越重視，將日常行為置于視頻監(jiān)控的環(huán)境中將會使人反感。

（2）基于穿戴式設備檢測

基于穿戴式設備的檢測方法將微型傳感器設備制成可穿戴式設備穿戴在人身上，傳感器實時采集人體活動的數據，分析判斷人體是否發(fā)生跌倒。

圖2基于穿戴式設備檢測

基于穿戴式設備檢測的優(yōu)點是成本低，檢測范圍大，不受周圍環(huán)境的影響，缺點是需要穿戴在人體身上，需要定期充電或更換電池。

（3）基于周圍環(huán)境信號檢測

基于周圍環(huán)境信號的檢測方法利用布置在周圍環(huán)境中的聲頻、紅外和壓力等傳感器采集相關數據，根據數據分析結果判斷人體是否發(fā)生跌倒。

基于周圍環(huán)境信號檢測的優(yōu)點是人體不需要攜帶任何設備，整個檢測過程對人體沒有干擾，并且不侵犯個人的隱私，缺點是這類方法通常受環(huán)境的影響較大，無法得到很高的檢測精度，而且只能用于室內檢測，檢測范圍有限，一般只能作為輔助檢測方法。

2總體方案設計

本設計主要以單片機控制、跌倒檢測與報警通信3個主要模塊組成。以實現對于日常生活中老年人跌倒事件的監(jiān)測以及報警的功能。先由檢測模塊檢測到裝置發(fā)生變化，經過模數轉換發(fā)送給單片機模塊進行分析，單片機模塊經過判斷是否發(fā)生跌倒狀況，則報警并發(fā)送短信至家屬?？傮w框架如圖3所示。

圖3總體框架圖

3硬件設計

（1）控制部分采用了STC89C52單片機的最小系統(tǒng)作為核心控制器。該單片機是一款高性能、低功耗的8位微型控制器。具有結構簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛應用。它的運算速度雖然沒有STM32單片機和430單片機快，但是僅有的模塊功能完全滿足老人跌倒報警裝置的需要。而且它易于拓展，很容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。滿足本設計的要求。

（2）報警部分的報警電路采用了聲光報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成部分為5V有源蜂鳴器模塊與LED燈，其中5V有源蜂鳴器模塊中采用了三極管9012來驅動，當連接單片機的引腳為被單片機置為低電平時，蜂嗚器就會嗚叫報警，反之則不嗚叫;當蜂鳴器嗚叫時，LED燈與蜂鳴器協同工作，發(fā)出光亮。當系統(tǒng)檢測到老人跌倒后，報警電路會接受到信號，發(fā)出警報，提醒周圍人群救助。

（3）摔倒檢測部分采用了傾斜角傳感器。該傳感器是一款檢測傾斜角度的智能傳感器，具有分辨率高、范圍廣的特點。輸出信號為數字信號，可以通過SPI和12C數字接?口訪問。該設備常用于移動設備，可以檢測1。以上的傾斜角變化。當老人在行走過程中發(fā)現劇烈波動，并產生足夠大的傾斜角時，系統(tǒng)就會對其做出數據判斷，并將數據發(fā)送至單片機。

（4）GPS定位部分采用NEO-6M?GPS模塊。具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面。該模塊在狹小的環(huán)境中也可以更好定位人的位置，提高救援的能力性、準確性。該設備因經常作用在手機定位、車輛定位中，所以在本設計中具有良好的定位功能。滿足本設計的要求。

（5）通訊信息部分采用了GSM模塊。該模塊是一款可以插入手機卡并具有通過控制芯片程序向對應的手機號碼發(fā)送信息的功能，是一款具有放射功能的獨立操作系統(tǒng)。其外觀精巧，性價比高，性能穩(wěn)定。當系統(tǒng)發(fā)出警報并確定老人摔倒?時，該模塊電路會向提前設定的號碼上發(fā)送報警信息。

圖4各個模塊電路與主控芯片電路引腳連接圖

（6）按鍵電路采用輕觸按鍵。輕觸按鍵是按鍵產品下屬的一款分類產品，它其實相當于是一種電子開關，只要輕輕的按下按鍵就可以是開關接通，松開時是開關就斷開連接，實現原理主要是通過輕觸按鍵內部的金屬彈片受力彈動來實現接通和斷開的。在本系統(tǒng)中，按鍵作為系統(tǒng)的輸入，起到了人機交互的樞紐作用。按鍵的單片機控制引腳默認為高電平，當按鍵按下后，單片機的相關引腳則變成低電平。進而實現對系統(tǒng)的手動輸入。

各個模塊電路與主控芯片電路引腳連接如圖4所示。

4軟件設計

給裝置上電后，初始化定時器以及各個串口，檢測傾斜角度是否超過設定的閾值，若沒有超過，則判定為正常運動不做任何處理;若超過閾值，蜂鳴器報警。再檢測解除誤報警的按鈕是否按下，若為按下狀態(tài)則裝置認為是誤報警，解除報警，若沒有按下，等待15S后（延遲15秒是為了確定老人已經跌倒且15秒都沒有自行爬起來，設備認為老人跌倒傷的過重，需要報警提醒周圍的人幫忙），觸發(fā)通信模塊，短信上報給的家屬。程序流程如圖5所示。

圖5程序流程圖

void?gpsDealfun（void）

{

unsigned?char?num=0;

unsigned?long?Mid_Du;???//中間變量?暫存經緯度的整數部分?即度

unsigned?long?Mid_Fen;??//中間變量?暫存經緯度的小數部分?即分??gps原始數據是度分秒格式

unsigned?long?Mid_Vale;?////中間變量?暫存經緯度?并將其擴大了10000000倍

if（sysmode_GPS==TRUE）//檢測gps是否有效數據

{

sysmode_GPS=FALSE;//清除有效位

Mid_Du=（gps_infor_weijing[0]-0x30）*10000000+（gps_infor_we?ijing[1]-0x30）*1000000;//處理緯度暫存整數部分擴大10000000

Mid_Fen=（gps_infor_weijing[2]-0x30）*10000000+（gps_infor?_weijing[3]-0x30）*1000000+

（gps_infor_weijing[4]-0x30）*100000+（gps_infor_weijing?[5]-?0x30）*10000+

（gps_infor_weijing[6]-0x30）*1000+（gps_infor_weijing[7]-0x30）*100;

//處理緯度?暫存小數部分擴大10000000

Mid_Fen=Mid_Fen/60;//分秒換算為小數位

Mid_Vale=Mid_Du+Mid_Fen;//最終緯度?格式為000.00000000?非度分秒格式

Lin0_No[0]='N';

Lin0_No[1]='：';

Lin0_No[2]='0';

Lin0_No[3]=Mid_Vale/10000000+0x30;

//將處理后的緯度填入字符串?并打印顯示

Lin0_No[4]=（Mid_Vale/1000000）%10+0x30;

Lin0_No[5]='.';

Lin0_No[6]=（Mid_Vale/100000）%10+0x30;

Lin0_No[7]=（Mid_Vale/10000）%10+0x30;

Lin0_No[8]=（Mid_Vale/1000）%10+0x30;

Lin0_No[9]=（Mid_Vale/100）%10+0x30;

Lin0_No[10]=（Mid_Vale/10）%10+0x30;

Lin0_No[11]=Mid_Vale%10+0x30;

Mid_Du=（gps_infor_weijing[8]-0x30）*100000000+（gps_infor_we?ijing[9]-0x30）*10000000+（gps_infor_weijing[10]-0x?30）*1000000;//處理經度?暫存整數部分擴大10000000

Mid_Fen=（gps_infor_weijing[11]-0x30）*10000000+（gps_infor_w?eijing[12]-0x30）*1000000+

（gps_infor_weijing[13]-0x30）*100000+（gps_infor_weijing[14]-0?x30）*10000+

（gps_infor_weijing[15]-0x30）*1000+（gps_infor_weijing[16]?-0x3?0）*100;//處理經度?暫存小數部分擴大10000000

Mid_Fen=Mid_Fen/60;

//分秒換算為小數位

Mid_Vale=Mid_Du+Mid_Fen;

//最終經度?格式為000.00000000?非度分秒格式

Lin1_Ea[0]='E';

Lin1_Ea[1]='：';

Lin1_Ea[2]=Mid_Vale/100000000+0x30;

//將處理后的經度填入字符串?并打印顯示

Lin1_Ea[3]=（Mid_Vale/10000000）%10+0x30;

Lin1_Ea[4]=（Mid_Vale/1000000）%10+0x30;

Lin1_Ea[5]='.';

Lin1_Ea[6]=（Mid_Vale/100000）%10+0x30;

Lin1_Ea[7]=（Mid_Vale/10000）%10+0x30;

Lin1_Ea[8]=（Mid_Vale/1000）%10+0x30;

Lin1_Ea[9]=（Mid_Vale/100）%10+0x30;

Lin1_Ea[10]=（Mid_Vale/10）%10+0x30;

Lin1_Ea[11]=Mid_Vale%10+0x30;

}

else

{

Lin1_Ea[0]='G';//無gps信號情況下?打印正在連接

Lin1_Ea[1]='P';

Lin1_Ea[2]='S';

Lin1_Ea[3]='?';/*將處理后的緯度填入字符串?并打印顯示*/

Lin1_Ea[4]='L';

Lin1_Ea[5]='I';

Lin1_Ea[6]='N';

Lin1_Ea[7]='K';

Lin1_Ea[8]='I';

Lin1_Ea[9]='N';

Lin1_Ea[10]='G';

Lin1_Ea[11]='.';Lin1_Ea[12]='.';Lin1_Ea[13]='.';

for（i=0;i<14;i++）

{

Lin0_No[i]=Lin1_Ea[i];

}

}

//DelayMs（10）;

//SendStr（Lin0_No，12）;

//DelayMs（10）;

//SendStr（Lin1_Ea，12）;

}

5結束語

基于單片機的老人跌倒報警裝置在老人摔倒后的后續(xù)防護中具有良好的作用。當老年人發(fā)生跌倒或者遭遇其它意外危險時，該裝置可以在短時間內使老人的具體信息發(fā)送至其監(jiān)護人或家人的手機號碼上，使老人能夠得到及時的救助。本裝置有耗能低、易攜帶、傳輸距離遠、精準的定位能力等特點，為老年人的安全防護提供一種智能手段。而且各個部分的模塊電路成本低廉，具有極高的社會使用價值。

參考文獻：

[1] 張明雅.跌倒檢測系統(tǒng)的設計與實現[D].河北大學，2018

[2] 秦瑀陽.老年人跌倒檢測報警裝置的研究與設計[D].大連海事大學，2013

[3] 薛源.基于多傳感器的老人跌倒檢測系統(tǒng)的研究與應用.武漢理工大學，2011

[4] 茅莉強.老人跌倒預測系統(tǒng)的研究.蘇州大學，2016

[5] 李欣欣.基于單片機的跌倒檢測報警系統(tǒng)設計.新疆農業(yè)大學，2019

[6] 于浩.老人跌倒報警系統(tǒng)的設計.沈陽工學院，2019

[7] ?熊媛.傳感器技術在自動控制系統(tǒng)中的應用及發(fā)展展望?[J].工業(yè)設計，2016，10（8）：12-15.

[8] 李光飛，樓然苗.單片機C程序設計實例指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[9] 茅莉磊.老人跌倒預測系統(tǒng)的研究.蘇州大學，2016.

[10] 閆俊澤.基于3軸加速度傳感器的老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[11] 羅康.老人防跌報警器傳感器信息綜合處理與分析方法.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，2019.

（作者單位：山東英才學院機械與電氣工程學院）