李和，蔣紅梅

（1.桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校，廣西桂林，541199；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西桂林，541004）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)60歲及以上老年人數(shù)量已超過(guò)2.5億，隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，老年人的健康照料和養(yǎng)老問(wèn)題已成為迫切需要解決的社會(huì)問(wèn)題。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)老年人中至少每年有2500萬(wàn)以上的人突發(fā)跌倒損傷事故，占老年人意外傷害事件中的比例高達(dá)55.73%，可見(jiàn)，跌倒是威脅老年人生命健康安全的重要因素之一[1]。因此，老年人跌倒檢測(cè)及快速定位報(bào)警技術(shù)已成為關(guān)愛(ài)老年人生命健康科研領(lǐng)域的重要研究方向。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)為各類(lèi)用戶(hù)提供全天候的高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，同時(shí)具備短報(bào)文通信的能力[2]。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS：Micro-Electro-Mechanical System)傳感器以其重量輕、體積小、耗能低且性能成熟穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在加速度檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及狀態(tài)檢測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用[3]。本文以此為背景，基于北斗定位技術(shù)及MEMS加速度傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一款便攜式定位及跌倒檢測(cè)終端，設(shè)備適合老年人穿戴并具有跌倒自啟動(dòng)的功能，當(dāng)老年人突發(fā)跌倒險(xiǎn)情時(shí)，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)機(jī)并把包含跌倒位置的求救信息發(fā)送到老人的子女或指定監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上，從而得到精準(zhǔn)及時(shí)的救助。

1 跌倒檢測(cè)終端的總體結(jié)構(gòu)

基于北斗定位的跌倒檢測(cè)終端設(shè)備主要包括主控處理器（MCU）、北斗RNSS定位模塊、GPRS通信模塊、跌倒檢測(cè)模塊、電源模塊、報(bào)警指示模塊和一鍵呼救按鍵等，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用可穿戴式設(shè)計(jì)，可佩戴于老人的腰部或腿部。為提高效率，當(dāng)老人在非跌倒情況下，終端處于休眠待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)老人出現(xiàn)跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，報(bào)警指示模塊進(jìn)行蜂鳴/震動(dòng)報(bào)警，提醒佩戴者進(jìn)行報(bào)警判斷：終端設(shè)有人工一鍵呼救和跌倒自啟動(dòng)兩種求救方式，大部分老人跌倒后，可在20秒以?xún)?nèi)再次站起來(lái)，自行消除報(bào)警信息不對(duì)外發(fā)送，或選擇一鍵呼救按鍵報(bào)警求救；如果蜂鳴/震動(dòng)報(bào)警器超過(guò)25秒沒(méi)有復(fù)位時(shí)，判斷為老人摔倒嚴(yán)重且不具備蜂鳴/震動(dòng)取消操作能力，則直接啟動(dòng)報(bào)警程序。當(dāng)主控處理器接收到一鍵呼救按鍵命令或跌倒檢測(cè)模塊啟動(dòng)報(bào)警命令后，終端將包含自身位置的求救信息通過(guò)GPRS模塊發(fā)送至老人的子女或指定監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上，幫助老人親友第一時(shí)間獲取其實(shí)時(shí)摔倒位置，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)救援。

2 跌倒檢測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控處理器（MCU）

終端采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控處理器，控制北斗RNSS定位模塊、跌倒檢測(cè)模塊、一鍵呼救模塊、GPRS通信模塊及電源模塊、報(bào)警指示模塊等重要模塊。主控處理器一方面對(duì)北斗RNSS定位模塊送過(guò)來(lái)的衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶(hù)的位置、時(shí)間等定位信息；另一方面，當(dāng)接收到一鍵呼救按鍵命令或跌倒檢測(cè)模塊啟動(dòng)報(bào)警命令后，主控處理器負(fù)責(zé)將包含自身位置的求救信息按GPRS短消息格式進(jìn)行封裝和打包，并將打包和封裝好的求救信息傳送至GPRS通信模塊。本設(shè)計(jì)的主控處理器電路如圖2所示。

圖2 主控處理器電路

■2.2 北斗RNSS定位模塊

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模塊，是用來(lái)接收衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航信號(hào)，自主完成最少與4顆衛(wèi)星的距離測(cè)量，并進(jìn)行用戶(hù)位置、速度及航行參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)位置、時(shí)間、速度等信息的獲取。本次設(shè)計(jì)北斗定位模塊采用的是和芯星通公司的UM220-IV模塊，該模塊支持BDS B1+GPS L1雙系統(tǒng)聯(lián)合定位或單系統(tǒng)獨(dú)立定位，在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達(dá)到2.5m CEP，測(cè)速精度為0.1m/s，垂直定位精度為5m CEP，跟蹤靈敏度可達(dá)-161dBm。UM220-IV模塊輸入/輸出信號(hào)類(lèi)型為L(zhǎng)VTTL電平，與單片機(jī)配合使用無(wú)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。北斗定位模塊電路如圖3所示。

圖3 北斗定位模塊電路

■2.3 跌倒檢測(cè)模塊

人在正?；顒?dòng)時(shí)與跌倒過(guò)程中，有不同的加速度。人在正常行走時(shí)的總加速度是以1g為中心，正負(fù)1g的范圍內(nèi)波動(dòng)，其中g(shù)為重力加速度取值為9.8N＊m/s；當(dāng)在跑步或在一定高度跌倒的時(shí)候，總加速度一般在4g以上。因此，通過(guò)設(shè)置總加速度的臨界值可以判斷人員是否跌倒，考慮到跌倒情況有一定的差異性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本設(shè)計(jì)的臨界值設(shè)置為大于3g時(shí)觸發(fā)單片機(jī)啟動(dòng)發(fā)射程序報(bào)警。

跌倒檢測(cè)模塊中采用小巧輕薄的ADXL345加速度傳感器，ADXL345是ADI公司推出的基于 MEMS技術(shù)的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器。其分辨率高達(dá)13位；靈敏度高達(dá)3.9mg/LSB，能測(cè)量到最小1.0°的傾斜角度變化；具有±2g，±4g，±8g，±16g可變的測(cè)量范圍；具有40～145uA的超低功耗，待機(jī)模式只有0.1uA；采用LGA封裝，整個(gè)IC的尺寸只有3mm×5mm×1mm；支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，中斷方式靈活并且內(nèi)部有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)特性，包括非活動(dòng)或活動(dòng)檢測(cè)、敲擊檢測(cè)或自由落體檢測(cè)，可測(cè)量靜態(tài)加速度，運(yùn)動(dòng)或沖擊引起的動(dòng)態(tài)加速度。跌倒檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 跌倒檢測(cè)模塊電路

■2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用的是一款四頻GSM/GPRS模塊SIM800H，其性能穩(wěn)定，外觀(guān)小巧，性?xún)r(jià)比高，能滿(mǎn)足客戶(hù)的多種需求。SIM800H工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800H尺寸為15.8×17.8×2.4mm，能適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。同時(shí)通過(guò)支持藍(lán)牙/FM和Embedded AT等高級(jí)特性，可以為客戶(hù)節(jié)省成本和快速開(kāi)發(fā)帶來(lái)更多便利。SIM800H的異步串口通信引腳可以直接與MSP430處理器相連，并且實(shí)際應(yīng)用時(shí)可插入SIM卡，符合本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求。

3 跌倒檢測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)

圖5 跌倒檢測(cè)終端的軟件流程圖

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要由幀頭、幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀尾組成。幀頭主要有"$XXRMC”、"$XXGSA”、"$XXGSV”以及"$XXGGA”等，其中XX為BD是北斗模式。通常情況下，我們關(guān)心的定位信息如經(jīng)緯度、海拔、時(shí)間等數(shù)據(jù)均可以從"$XXRMC”幀中獲得[4]。軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，當(dāng)電源打開(kāi)時(shí)，單片機(jī)對(duì)北斗RNSS定位模塊信息進(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶(hù)的位置、時(shí)間等定位信息存入指定的寄存器；當(dāng)接收到一鍵呼救按鍵命令或跌倒檢測(cè)模塊啟動(dòng)報(bào)警命令后，單片機(jī)發(fā)射程序啟動(dòng)，控制GPRS通信模塊以間隔30秒發(fā)射一次包含用戶(hù)位置的求救信息。跌倒檢測(cè)的軟件流程如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上是基于北斗定位技術(shù)及MEMS傳感器設(shè)計(jì)的一款便攜式跌倒檢測(cè)終端。利用三軸加速度傳感器進(jìn)行跌倒檢測(cè)，利用北斗RNSS定位模塊檢測(cè)跌倒發(fā)生的位置，采用GPRS通信模塊將包含跌倒位置的求救信息發(fā)送到老人親友的手機(jī)上，從而得到及時(shí)精準(zhǔn)的救援。設(shè)備采用可穿戴式設(shè)計(jì)并具有跌倒自啟動(dòng)的功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。