張 祥，張治航，盛士強(qiáng)，石雅文

（南京工程學(xué)院，南京 211100）

0 引言

目前老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，因?yàn)槿丝诶淆g化導(dǎo)致的問(wèn)題層出不窮，雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上也有一些類似的老人智能手表之類的產(chǎn)品，但其只能檢測(cè)一些最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，其過(guò)于智能化，老人使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，而且價(jià)格不菲。而我們的設(shè)計(jì)不僅可以檢測(cè)一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)老人姿態(tài)進(jìn)行判別，可以有效對(duì)老人跌倒進(jìn)行報(bào)警，使老人得到及時(shí)治療，對(duì)提高社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)完成對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的控制，另外搭載傾角傳感器、心率傳感器、北斗模塊、溫度傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶姿態(tài)，心率，位置，溫度各方面身體數(shù)據(jù)以及姿態(tài)的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)最終顯示在OLED顯示屏上，本設(shè)計(jì)最主要的單元是傾角傳感器模塊，根據(jù)設(shè)定的姿態(tài)角臨界值和時(shí)間臨界值，檢測(cè)人體姿態(tài)角是否超過(guò)正常范圍，從而判斷老人姿態(tài)。姿態(tài)為跌倒時(shí)，GSM通信模塊發(fā)送GPS定位信息以及老人姿態(tài)信息到監(jiān)護(hù)人手機(jī)上實(shí)現(xiàn)及時(shí)救助，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)CPU選擇

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為主控芯片，它主要完成數(shù)據(jù)采集，處理，輸出，發(fā)送到PC端等功能，是整個(gè)產(chǎn)品正常高效率工作的基礎(chǔ)。STM32F103C8系列的單片機(jī)搭載1個(gè)PWM定時(shí)器，還有2個(gè)12位的ADC和3個(gè)16位定時(shí)器。除此之外，它搭載的32位高性能ARMCortexM3RISC內(nèi)核性能高，I/O端口眾多，內(nèi)置存儲(chǔ)器速度快?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，我們選擇了此款單片機(jī)，這款單片機(jī)也是時(shí)下最熱門(mén)的幾款單片機(jī)之一。

2.2 ADXL345傾角傳感器模塊設(shè)計(jì)及臨界值分析算法

現(xiàn)實(shí)生活中，一個(gè)人站立與跌倒時(shí)身體與地面夾角是不同的，人正常站立時(shí)，人與地面的夾角約為90°。但是當(dāng)人跌倒時(shí)，人與地面的夾角最終約為0°?，F(xiàn)在我們對(duì)人體與地面夾角的臨界值進(jìn)行分析，通過(guò)判定老人與地面的夾角是否超過(guò)我們?cè)O(shè)定的臨界值判斷人體是否跌倒。跌倒有多種情況：前跌倒、后跌倒、側(cè)跌倒。我們對(duì)人體以腰部為原點(diǎn)，X軸是人體左手方向，Y軸垂直于人體向上，Z軸是人體前進(jìn)方向建立人體坐標(biāo)系，ax、ay、az分別表示ADXL345傳感器采集到的3個(gè)方向的加速度值，根據(jù)這三個(gè)方向的加速度值，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)立體模型，最終得出3個(gè)方向的姿態(tài)角。其中：

其中x0，y0，z0分別為x，y，z軸與地面的夾角；因?yàn)闊o(wú)論是前跌倒、后跌倒、側(cè)跌倒，y軸都產(chǎn)生了巨大變化，所以我們對(duì)y軸與地面的夾角y0設(shè)置臨界值進(jìn)行判斷人體的姿態(tài)，下面我們對(duì)向后傾倒?fàn)顟B(tài)下三個(gè)夾角進(jìn)行測(cè)量，得出以下折線圖如圖2所示。根據(jù)圖2，我們可以發(fā)現(xiàn)，人體傾倒時(shí)，y0和z0在短暫時(shí)間里發(fā)生巨大變化，從90°幾乎變成0°，因此，我們將臨界值設(shè)成45°進(jìn)行姿態(tài)判別。

但我們考慮到現(xiàn)實(shí)生活中的彎腰撿東西、睡覺(jué)躺下等動(dòng)作也會(huì)導(dǎo)致姿態(tài)角發(fā)生很大變化導(dǎo)致報(bào)警，為了防止誤報(bào)警現(xiàn)象，我們?cè)俅螌?duì)時(shí)間設(shè)置臨界值。

算法分為以下幾步：

（1）當(dāng)檢測(cè)到姿態(tài)角小于45°時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)7秒，進(jìn)行下一次檢測(cè)。

（2）若再次檢測(cè)姿態(tài)角沒(méi)有小于45°，則不報(bào)警，反之則開(kāi)始報(bào)警。

（3）若初步判定為跌倒?fàn)顟B(tài)，再次延時(shí)10秒，再次檢測(cè)，若姿態(tài)角仍小于45°則通過(guò)GSM通信模塊發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人。

（4）最后繼續(xù)監(jiān)測(cè)姿態(tài)角，當(dāng)姿態(tài)角過(guò)一段時(shí)間大于45°時(shí)，再次發(fā)信息告知監(jiān)護(hù)人老人的情況，讓監(jiān)護(hù)人聯(lián)系確認(rèn)。

為了進(jìn)一步防止誤報(bào)，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)清除按鈕，即碰到一些例如彎腰時(shí)間比較長(zhǎng)的情況報(bào)警時(shí)，老人可以在報(bào)警后10s內(nèi)按清除按鈕解除報(bào)警，這樣系統(tǒng)不會(huì)發(fā)送信息。

圖2 向后傾倒時(shí)姿態(tài)角變化

2.3 心率傳感器模塊

心率傳感器的實(shí)現(xiàn)原理是光電容積法。當(dāng)傳感器的光束照射透過(guò)人體血管時(shí)，人體脈搏跳動(dòng)導(dǎo)致血管容積發(fā)生微弱變化，最終改變這束光對(duì)血管的透光率，然后心率傳感器通過(guò)內(nèi)置的光電轉(zhuǎn)換器接收人體皮膚組織反射的光線，最終將反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的電信號(hào)放大輸出。因?yàn)樾呐K的搏動(dòng)導(dǎo)致脈搏跟著心臟做周期性變化，最終血管容積也跟著做周期性變化，所以心率就是光電轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)變化周期。用戶將手指放在傳感器上就可以檢測(cè)出自己的心率值。

2.4 ATK-SIM800C通信模塊

ATK-SIM800C模塊是ALIENTEK開(kāi)發(fā)的一款高性能工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊，功能完善，適用于通信服務(wù)的各種領(lǐng)域，SIM800C模塊與服務(wù)器建立通訊實(shí)現(xiàn)了真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，它突破了Wi-Fi模塊的距離局限和藍(lán)牙模塊的短距離傳輸瓶頸。該模塊只要在有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的環(huán)境下就能與控制端進(jìn)行基于TCP/IP協(xié)議的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)不限距離的遠(yuǎn)程控制，它與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互從而實(shí)現(xiàn)老人身體姿態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，從而讓家人了解老人的姿態(tài)信息。

2.5 北斗模塊

設(shè)計(jì)中采用的是北斗三代雙模式系統(tǒng)模塊。它采用卡爾曼濾波等優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)其定位功能，它還融合多個(gè)GNS系統(tǒng)使其系統(tǒng)定位精度更高。它目前主要運(yùn)用于交通導(dǎo)航、實(shí)時(shí)監(jiān)控等領(lǐng)域，它的功耗低于其他同類產(chǎn)品、工作時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格低、集成度高，尺寸較小，在要求環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛。它可以勝任各種復(fù)雜的環(huán)境，捕獲與跟蹤能力強(qiáng)，連續(xù)定位結(jié)果可靠。

2.6 DSB18B20溫度傳感器

DS18B20是一款單總線數(shù)字式溫度傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外接電路，可用一根I/O數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù)，性能優(yōu)越。DS18B20在出廠時(shí)以配置為12位，讀取溫度時(shí)共讀取16位，當(dāng)前5位為1時(shí)，讀取的溫度為負(fù)數(shù)；用戶通過(guò)將傳感器感溫頭放置在咯吱窩就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的溫度。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)，通過(guò)ADXL345檢測(cè)老人是否摔倒，老人摔倒，蜂鳴器會(huì)報(bào)警，摔倒超過(guò)15S老人仍未站起來(lái)，單片機(jī)會(huì)通過(guò)GSM模塊給所綁定的手機(jī)號(hào)進(jìn)行發(fā)送提示短息，信息里有最近一次的GPS的定位信息以及老人的狀態(tài)，判斷跌倒流程圖分別如圖3所示：

圖3 跌倒流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

我們對(duì)我們的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析：正常行走實(shí)驗(yàn)中，姿態(tài)角沒(méi)有發(fā)生很大變化，在臨界值范圍內(nèi)，故報(bào)警器未報(bào)警，快速坐下實(shí)驗(yàn)中，姿態(tài)角沒(méi)有超過(guò)45°，均在臨界值范圍內(nèi)，故報(bào)警器未報(bào)警。人體向后跌倒時(shí)，身體僅繞Z軸旋轉(zhuǎn)，y0最終變?yōu)?°，遠(yuǎn)小于設(shè)定的臨界值45°，報(bào)警器報(bào)警。準(zhǔn)確率可以達(dá)到98%。

實(shí)物圖如圖4所示：

圖4 實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置時(shí)間以及與地面夾角的臨界值，加上相應(yīng)的邏輯判斷完成老人狀態(tài)的判斷，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率高，能有效監(jiān)測(cè)老人的身體數(shù)據(jù)以及判別老人的姿態(tài)，成本低，容易操作，在現(xiàn)代老人監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用前景。