王俊文

摘 要：當(dāng)今社會，時代的發(fā)展使子女難以對父母老人進(jìn)行有效陪伴;同時，隨著人口老齡化的加劇，越來越多的老年人需要進(jìn)一步的社會關(guān)注。近年來，老人走丟的情況常常發(fā)生在人們周圍，為了降低老人走失率，保障老人的安全，除了公安部門和家屬的努力，更需要新興科技的加入。在智能穿戴愈來愈流行的時代，本文針對老人設(shè)計了一款穩(wěn)定安全的警報器，本系統(tǒng)硬件主控板是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103，搭載GSM模塊WiFi模塊，同時可實現(xiàn)GPS、WiFi、LBS三重定位;搭配移動客戶端軟件，使監(jiān)護(hù)人能夠通過軟件平臺查看佩戴者歷史軌跡、實時位置、并可手動設(shè)置電子?xùn)艡诨蚩蛇x擇根據(jù)用戶歷史軌跡智能推薦安全活動范圍;配合靈敏的慣性傳感器MEMS，通過檢測佩戴者行走步幅步頻震動頻率，能夠在老年人摔倒時及時向監(jiān)護(hù)人發(fā)送信息提醒以保證老年人安全。

關(guān)鍵詞：防走失;摔倒報警; 智能定位; STM32控制

文章編號：2095-2163（2019）04-0140-04 中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

目前， 關(guān)于中國老人生活現(xiàn)狀研究的一項較新的調(diào)查統(tǒng)計分析表明[1]，當(dāng)代中國老年人依然面臨諸多問題，包括老年人口數(shù)量持續(xù)增加，人口老齡化程度持續(xù)加深;收入水平總體不高，因老返貧、因病致貧風(fēng)險較大;失能、半失能老年人口數(shù)量較大等等。截止2017年底，全國人口中60周歲及以上人口24 090萬人，占總?cè)丝?7.3%，預(yù)計到2020年，老年人口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%。根據(jù)《中國老人走失狀況白皮書》顯示：中國每年走失老人約50萬人;平均每天有1 370人，不幸的是其中有10%的老人在失蹤后永遠(yuǎn)離開了親人。另據(jù)本次在鄭州市及周邊洛陽、開封等城市的大量市場調(diào)研以及7 000份網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查顯示，有67%的家庭表示擔(dān)心自家年邁的老人在回家的路上迷路或者摔倒。目前市場上也鮮有任何報警類產(chǎn)品能有效地預(yù)防此類事件的發(fā)生，這無疑已是當(dāng)今社會的痛點之一。本文對此擬做研究論述如下。

1 系統(tǒng)原理及產(chǎn)品功能實現(xiàn)

1.1 目前已有產(chǎn)品問題

國內(nèi)現(xiàn)有傳統(tǒng)報警器大多是為以PIC單片機(jī)為主控制器、并結(jié)合紅外對射檢測技術(shù)和無線通信技術(shù)的短距離產(chǎn)品，往往沒有與監(jiān)護(hù)人客戶端建立聯(lián)系，無法進(jìn)行精準(zhǔn)實時定位以及摔倒預(yù)警，更無法設(shè)置或智能推薦安全活動范圍。而能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位的報警器大多體積又偏大，不利于老年人隨身攜帶。使用功能復(fù)雜繁瑣的智能手環(huán)等穿戴設(shè)備也無法在第一時間迅速地向家人傳遞老人地理位置，判斷老年人的安全狀況，還有著老年人操作不便的弊端。

綜上分析可知，市場上現(xiàn)存的產(chǎn)品都存在著一些問題，對此可表述為：

（1）低親和度。操作較為復(fù)雜繁瑣，不方便老年人群使用。

（2）無法判斷老人安全狀況是否摔倒。

（3）不能及時發(fā)送用戶實時位置。

（4）無法設(shè)置或智能推薦安全范圍。

針對這些問題，結(jié)合老人的生活特點，本文研發(fā)提出了一款安全報警器。

1.2 原理設(shè)計

本作品硬件主控板是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103[2]，搭載GSM模塊WiFi模塊，同時可實現(xiàn)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）、WiFi、移動位置服務(wù)（Location Based Service， LBS）三重定位?？蛻舳似脚_搭配電子?xùn)艡诠δ埽脩艨勺孕羞x擇佩戴者活動范圍。并且，軟件還可根據(jù)佩戴者的歷史活動記錄，總結(jié)出老人的生活習(xí)慣，智能推薦活動范圍以供用戶選擇;報警器采用了慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），靈敏接收佩戴者行走時震動幅度步頻，故而可在老年人摔倒時立即向監(jiān)護(hù)人發(fā)送危險警示;與此同時，報警器還設(shè)計有省電模式與電量提醒功能，用戶可根據(jù)實際情況做出選擇，保證持續(xù)電能供應(yīng)，并配備雙向通話功能，便于老人在緊急情況下聯(lián)系家人;在外觀設(shè)計上，用戶則根據(jù)自身喜好選擇香囊或魔術(shù)貼的方式隨身攜帶，美觀且不易丟失。本次研發(fā)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)可闡釋分述如下。

（1）GPS+WiFi+LBS的三重定位方式。通過GSM二級模塊來傳送信息，構(gòu)建手機(jī)App客戶端連接公司后臺實時傳送接收用戶地理位置信息。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信、語音通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的功能。分析可知，GPS定位系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣、精度最高的定位系統(tǒng)，但其芯片存儲內(nèi)容只有4 h的記錄，并且GPS定位時需要高壓支持，對于硬件要求較高，不建議一直使用GPS。WiFi定位是基于附近周圍的無線網(wǎng)絡(luò)基地臺（WiFi Access Point）的MAC地址，對比Skyhook數(shù)據(jù)庫中該MAC地址的坐標(biāo)，交叉計算出所在地。因此，該種方法對于設(shè)備的硬件要求比較低。LBS[3]是移動設(shè)備測量各統(tǒng)計基站的下行導(dǎo)頻信號，得到不同基站下行導(dǎo)頻的到達(dá)時刻（Time of Arrival，TOA）或到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival，TDOA），同時根據(jù)該測量數(shù)值并結(jié)合基站的坐標(biāo)（一般采用三角公式估算法）運算求得結(jié)果。三重定位方式能夠準(zhǔn)確實時記錄老人所處地理位置的經(jīng)度及緯度，當(dāng)檢測到報警器所處經(jīng)、緯度超出預(yù)定好的經(jīng)、緯度范圍、即電子?xùn)艡诘姆秶鷷r[4]，報警器將迅速利用GSM模塊通過最近的基站向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)發(fā)送超出安全范圍路徑的短信提醒。

（2）慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）。人體正常行走時，其加速度會周期性地呈現(xiàn)規(guī)則變化，而在發(fā)生跌倒時，加速度[5]會發(fā)生劇烈變化，加速度的變化可以反映出人體運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此，當(dāng)慣性傳感器檢測到老人的加速度突然超過加速度閾值、且在其后90 s內(nèi)不再出現(xiàn)加速度波動時，報警器就會啟用GSM模塊通過最近的基站向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)發(fā)送短信通知并撥打電話。

1.3 主要功能解讀及系統(tǒng)優(yōu)勢分析

基于本次研發(fā)的關(guān)鍵核心技術(shù)設(shè)計，最終得到的系統(tǒng)主要功能包括：一鍵報警、電子?xùn)艡?、摔倒警告、歷史軌跡和智能推薦路徑等。研究可得重點闡述如下。

（1）一鍵報警。當(dāng)用戶遇到危險或需要求助時，可一鍵告知緊急聯(lián)系人準(zhǔn)確位置，聯(lián)系人可第一時間預(yù)判獲知老人情況，及時找出應(yīng)對辦法，降低老人遭遇危險和傷害機(jī)率。

（2）電子?xùn)艡?。通過對老人活動范圍運用歷史統(tǒng)計方法，繪制生成了用戶活動范圍的整體輪廓圖，如果老人走出此區(qū)域就會通知其家人，這樣就形成了一個類似圍欄的效果。當(dāng)然，用戶可以自行設(shè)置活動范圍。GPS+WiFi+LBS的三重定位方式能夠準(zhǔn)確實時記錄老人所處地理位置的經(jīng)度及緯度，當(dāng)檢測到報警器所處經(jīng)、緯度超出預(yù)定好的經(jīng)緯度、范圍、即電子?xùn)艡谶吔鐓^(qū)域時，報警器將立即啟用GSM模塊通過最近的基站向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)發(fā)送超出安全范圍路徑的短信提醒。

（3）摔倒警告。將慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）放入報警器中，在收集一段時間老人的生活習(xí)慣和出行規(guī)律的數(shù)據(jù)后，根據(jù)老人產(chǎn)生的震動，判斷加速度是否處于正常范圍，如果出現(xiàn)摔倒等意外情況，通過TCP/IP協(xié)議，將報警器收到的地理位置信息和步幅、步頻震動參數(shù)傳送至服務(wù)器端，當(dāng)老人不慎摔倒時，軟件平臺會自動發(fā)送位置及預(yù)判得出的老人的情況提醒監(jiān)護(hù)人[6]。這是基于老人本身運動狀態(tài)相對而言比較穩(wěn)定，且與定位系統(tǒng)相結(jié)合，從而推斷出老人所處的環(huán)境以及可能出現(xiàn)的問題。

（4）歷史軌跡。用戶可在平臺設(shè)置保留歷史位置信息，隨時查看老人完整出行記錄，為家人安全提供更多保障。

（5）智能推薦路徑。系統(tǒng)可根據(jù)佩戴者活動的歷史軌跡智能規(guī)劃老年人的出行路線，使老人可以提前規(guī)避一些有著潛在不安全因素的道路，降低出行風(fēng)險[7]。

（6）設(shè)計簡便，適用于老人。由于老人對電子產(chǎn)品在使用上存在適應(yīng)周期，并且報警器需要長時間佩戴，保證續(xù)航，老人可以根據(jù)自身需要切換省電模式，報警器同時設(shè)計3種休眠省電模式（全天自動休眠、夜間自動休眠、實時開啟）與電量提醒;在外觀上，報警器小巧、且方便攜帶，不會給出行造成負(fù)擔(dān)。

2 軟硬件設(shè)計

2.1 功能模塊圖

本次研發(fā)系統(tǒng)的功能模塊總體設(shè)計如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 電子?xùn)艡?/p>

研究中，要判斷攜帶報警器的老人是否在用戶手動設(shè)定的安全活動范圍、即電子?xùn)艡趦?nèi)，就是要在GIS（地理信息管理系統(tǒng)）中判斷一個坐標(biāo)是否在多邊形內(nèi)部。這里，可運用Franklin提出的PNPoly算法來運行實現(xiàn)，核心算法的研發(fā)代碼具體如下。

int pnpoly（int nvert， float *vertx， float *verty， float testx， float testy）

{

int i， j， c = 0;

for （i = 0， j = nvert-1; i < nvert; j = i++）

{

if （ （（verty[i]>testy） ！= （verty[j]>testy）） &&

（testx < （vertx[j]-vertx[i]） * （testy-verty[i]） / （verty[j]-verty[i]） + vertx[i]） ）

c = ！c;

}

return c;

}

2.2.2 摔倒警報

如果由傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常，軟件會向聯(lián)系人發(fā)送緊急通知。對應(yīng)的程序代碼詳見如下。

for （int i = triggerLst.Count - 1; i >= 0; i--）

{

[WB]if（triggerLst[i].IsValid（） == false）

[DW]{

triggerLst.alarm（i）;

continue;

}

}

2.2.3 智能推薦

目前，研究正著重開發(fā)根據(jù)用戶歷史軌跡集合智能推薦路線范圍的平臺功能。后臺會將每一位報警器攜帶者的歷史軌跡保存下來，為其生成唯一專屬的歷史軌跡集，并根據(jù)其軌跡集，將其軌跡路徑以取點定位的方法統(tǒng)計生成一份離散點的量度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，借鑒HMM模型[8]、即隱馬爾可夫模型[9]，從可觀察的參數(shù)中確定該過程的隱含參數(shù)，然后利用這些參數(shù)來做進(jìn)一步的分析，根據(jù)數(shù)據(jù)來個性化地向監(jiān)護(hù)人推薦佩戴報警器的老年人經(jīng)常活動的范圍。用戶可以根據(jù)研究得出的智能推薦來作為設(shè)定電子?xùn)艡诘膮⒖肌?/p>

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 基本信息

尺寸：約長65 mm*寬50 mm*厚18 mm;主要材質(zhì)：ABS/棉布;電池：鋰聚合物電池800 mAh/3.7 V;充電輸入：DC 5 V/1 A;工作環(huán)境：0 ℃～55 ℃;網(wǎng)絡(luò)頻段：GSM850/900/1800/1900，GPRS。

2.3.2 電路設(shè)計

考慮到報警器的輕巧便攜及上述所需功能特點，本次研究采用STM32F103作為主控制器，搭載GSM模塊、WiFi模塊、GPS模塊、慣性傳感器MEMS以及MIC、SPK通訊設(shè)施。研究得到的產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過高精密度的模塊間集成，該系統(tǒng)的初代硬件集成電路實物圖即如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

國內(nèi)專門針對老年人群、尤其是阿茲海默癥人群的安全報警器方面的研究仍不多見，相關(guān)產(chǎn)品仍較為缺乏;市面上雖已推出有智能電話、手表等穿戴設(shè)備，但并不適合學(xué)習(xí)能力相對較差的老年人群以及阿茲海默癥人群學(xué)習(xí)使用;而現(xiàn)今整個社會的老齡化趨勢正在逐步加劇，如何為老年人提供全程伴隨式輔助功能服務(wù)的需求也日趨迫切。因此，本文專門針對老年人群、尤其是阿茲海默癥人群研發(fā)了這款微型安全報警器，這里僅以2個核心設(shè)計作為實例，即本此研發(fā)得到的軟件平臺登錄及主界面如圖4所示，電子?xùn)艡诠δ芗八さ箞缶δ芙缑鎰t如圖5所示。這一結(jié)果也清晰表明了，本次研究將致力于幫助更多的老人，保障其每一次的安全出行。

3 結(jié)束語

中國人口老齡化越來越嚴(yán)重，老年人群日益增多，而且隨著社會生活節(jié)奏的加快，子女難以對父母老人給予全程陪伴，尤其當(dāng)老年人群外出活動時，其出行安全就已成為老人子女面臨的一個重大考驗。而本系統(tǒng)即可有效地解決這樣的問題。本系統(tǒng)采用GPS、WiFi、LBS三重定位，在精確定位坐標(biāo)條件下，根據(jù)老人生活習(xí)慣設(shè)置電子?xùn)艡诤屯扑]出行路線，并且具有摔倒報警提醒功能，及時對聯(lián)系人通報老人可能遇到的意外情況。同時，本款報警器設(shè)計精巧、方便攜帶、操作簡單，適合老年人群使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊貴彬. 中國走失老人總量測算與區(qū)域分布特征分析-基于全國救助站隨機(jī)抽樣調(diào)查[J]. 人口與發(fā)展，2017，23（6）：103-108.

[2]許崇言. 基于STM32控制的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（12）：53-55.

[3]周長利， 馬春光， 楊松濤. 路網(wǎng)環(huán)境下保護(hù)LBS位置隱私的連續(xù)KNN查詢方法[J]. 計算機(jī)研究與發(fā)展，2015，52（11）：2628-2644.

[4]胡瑗， 夏利民， 王嘉. 基于軌跡分析的行人異常行為識別[J]. 計算機(jī)工程與科學(xué)， 2017，39（11）：2054-2059.

[5]馬仁冬， 楊功流， 張馗，等. 高精度加速度計閾值的重力二次細(xì)分測試方法[J]. 導(dǎo)航與控制， 2015， 14（4）：110-114.

[6]楊杰， 吳文啟， 練軍想. 激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)高精度加速度計非線性模型參數(shù)標(biāo)定[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報， 2010， 18（5）：625-632.

[7]栗芝. 老年人智能出行輔助系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計算機(jī)，2018，31（11）：144-145.

[8]劉翔， 鄒婷婷，李仁旺，等. 基于HMM模型的老年人出行異常檢測研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，33（3）：410-413.

[9]劉高文. 基于隱馬爾可夫模型的視覺行為分析和異常檢測研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)， 2008.