代金鑫，于靈奇，何亮，張婧婧

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著全球人口老齡化加劇，對于獨自外出的老年人以及獨居老人發(fā)生跌倒的概率很高。跌倒的發(fā)生會嚴重影響老年人的健康水平和生活質量，還可能帶來沉重的經濟負擔。目前，針對老年人跌倒的監(jiān)測方法主要有通過視頻監(jiān)測、音頻檢測或心率檢測[1]。然而，由于人類日常行為的復雜性，實際應用環(huán)境中人體跌倒監(jiān)測難度較大可能存在誤判。為了提高人體跌倒監(jiān)測的準確率和實時性，本文設計了一款具有人體跌倒監(jiān)測功能的裝置。本裝置操作簡單方便，數(shù)據記錄和反饋準確，可以有效減輕老年人的出行負擔，緩解疫情期間老年人的身心壓力，便于子女監(jiān)護老年人的身體情況，可以產生積極的社會效益。

1 傾角計算和合加速度計算原理

傾角計算主要是對ADXL345 傳感器采集到的三個方向的加速度，使用公式轉換成與自然坐標系X、Y、Z 軸為參考的角度，具體公式如1、2、3 所示。

加速度傳感器Z 軸與自然坐標系Z 軸夾角：

加速度傳感器X 軸與自然坐標系X 軸夾角：

加速度傳感器Y 軸與自然坐標系Y 軸夾角：

合成加速度計算主要是對兩個時間段采集到的三個方向的加速度進行公式轉換，兩個時間段的間隔為10μs，數(shù)據采集是連續(xù)采集不間斷的，具體公式如4 所示。

系統(tǒng)通過公式1、2、3、4 計算獲得傾角數(shù)據和合加速度數(shù)據后，如果傾角大于45 度并且合加速度大于20 后，此時判定人體處于跌倒狀態(tài)并發(fā)出警報。

2 總體設計

系統(tǒng)采用STC89C51 單片機為主控芯片， 包括ADXL345 三軸加速度傳感器數(shù)據采集模塊、LCD1602 液晶屏顯示模塊、GSΜ 通訊模塊、按鍵模塊和報警模塊。系統(tǒng)總體方案設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

數(shù)據采集模塊采用了數(shù)字式加速度傳感器ADXL345，此加速度計功耗低、體積小、數(shù)字輸出。系統(tǒng)通過ADXL345 檢測手環(huán)在三個正交方向的加速度變化，來監(jiān)測佩戴者的姿態(tài)變化，然后對ADXL345 的傾角數(shù)據進行分析，以確定佩戴者的身體是否跌倒。

GSΜ 通訊模塊由 GSΜ 射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功率放大器等組成，采用獨立的操作系統(tǒng)、GSΜ 射頻處理、基帶處理并提供標準的接口。傳感器的數(shù)據送至單片機分析后，若系統(tǒng)判斷人體為跌倒狀態(tài)，就利用GSΜ 模塊給監(jiān)護人發(fā)送提示短信。

液晶顯示器采用LCD1602 作為顯示器件，其發(fā)光效率高，能耗低，抗震性能好，在電子領域得到了廣泛的應用。LCD1602 顯示系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據，同時可以顯示當前日期時間等參數(shù)。

按鍵模塊主要有兩個獨立按鍵構成，用戶可通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)界面的設置、一鍵報警、系統(tǒng)復位等功能。若系統(tǒng)出現(xiàn)誤判，用戶可使用復位按鍵對系統(tǒng)進行復位來消除警報。

報警模塊由蜂鳴器報警電路實現(xiàn)報警功能。當傳感器平放的時候，蜂鳴器不會響，只有當傳感器傾斜一定角度時并且合加速度大于20 后，蜂鳴器才會發(fā)出警報聲，此時GSΜ模塊會向監(jiān)護人的手機發(fā)送求助信息：“Help me??！”。

3 硬件設計

系統(tǒng)選擇了STC89C52 單片機為控制核心，充電芯片選用了TP4056[2]，轉換芯片選用了ADC0832，它相比ADC0809性價比更高，可以滿足本系統(tǒng)的功能需求。系統(tǒng)選擇了LCD1602液晶顯示屏進行充電電壓和充電電流值的監(jiān)控顯示。

■3.1 系統(tǒng)電路原理圖

整個系統(tǒng)由ADXL345 模塊、GSΜ 模塊、LCD1602 顯示電路、單片機最小系統(tǒng)電路、按鍵電路、蜂鳴器報警電路和LED 燈電路組成。系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

■3.2 STC89C52 單片機最小系統(tǒng)

VCC 為電源引腳，GND 為接地引腳。復位電路，有手動復位和上電復位。時鐘電路，在時鐘電路的內部模式下，通過連接XTAL1 和XTAL2 的晶振，并與兩個電容器相匹配，組成了一個共振電路為 ΜCU 供電。在外部模式下，XTAL1與外部時鐘相連，XTAL2 與外部時鐘相連，從而為驅動ΜCU 提供時鐘信號。JD1 為單片機的下載接口。

■3.3 5V 電源模塊電路設計

系統(tǒng)采用5V 電源供電，此電源模塊電路原理圖如圖3所示。圖中PLED 是一個電源指示燈，當電源電路給系統(tǒng)供電時，PLED 電源指示燈亮，若不給系統(tǒng)供電則PLED 不亮。1k 的電阻器是限流電阻，可以避免過高的電流把發(fā)光二極管燒掉。USB口可直接5V電源，如電腦USB接口、充電寶等，這里的USB 接口還可以直接作為串口使用，這樣我們可以只用一個接口滿足供電和串口兩個功能。PSW 是一個開關，按下開關，電源電路可為系統(tǒng)提供5V 的直流電壓，關閉開關則不會給系統(tǒng)提供電源。

圖3 5V 電源電路

■3.4 GSM_SIM800C 模塊電路設計

GSΜ 模塊就是一個蜂窩網絡，可通過各種AT 命令實現(xiàn)各種無線通訊功能，如發(fā)短信、通話等功能，使用時可用串口和單片機進行通信。

主要特性：(1) 兩頻900/1800ΜHz；(2)GPRS multislot class 12/10；(3)GPRS mobile station class B；(4) 滿足GSΜ 2/2+ 標準，- Class 4 (2W @900ΜHz)，- Class 1 (1W@1800ΜHz)；(5)尺寸： 24mm×24mm×3mm；(6)重量： 3.1g；(7)AT 指令的控制（GSΜ 07.07,07.05 和 SIΜCOΜ 的 AT 指令集合）；(8)SIΜ 應用工具包；(9)供應電壓范圍： 3.4 ～ 4.4V；(10)低功耗；(11)操作溫度范圍： -40℃ ～ 85℃；(12)CSD達14.4 kbps；(13)140USSD；(14)非透傳。

在短信應用方面的特點：(1)點對點ΜO and ΜT；(2)短信廣播；(3)文本和PDU 模式。

模塊接口說明：(1)5V 接5V；(2)GND 接GND；(3)RXD（串口接收端）；(4)TXD（串口發(fā)送端）。

■3.5 按鍵電路設計

按照結構原理劃分，按鍵可分為觸點式按鍵和無觸點式按鍵。本文使用的是結構簡單、造價成本低的觸點式開關按鍵，觸點型按鍵開關具有一個輸入/輸出端口的開關，每一個鍵彼此獨立，互不影響。圖4 是功能開關按鍵電路，功能開關按鍵可以控制報警功能，當不需要報警功能時可通過當按下按鍵而關閉報警功能，同時相應的LED 指示燈亮。

圖4 功能開關按鍵電路

圖5 是系統(tǒng)的復位按鍵電路，若系統(tǒng)出現(xiàn)誤報警可通過復位按鍵取消報警，如果后續(xù)監(jiān)測到跌倒狀態(tài)還是會報警。

圖5 復位按鍵電路

■3.6 蜂鳴器報警電路設計（低電平有效）

5V 有源蜂鳴器是由內部震動發(fā)聲的，內部振動源由三極管、電阻、芯片等元件組成，當給蜂鳴器供電時，內回路將持續(xù)改變的電流加在線圈上，使其產生振動，從而產生聲音。其電路原理圖如圖6 所示。

圖6 蜂鳴器報警電路

■3.7 ADXL345 傾角傳感器模塊電路設計

ADXL345 是一款小而薄的超低功耗3 軸加速度計，分辨率 高（13 位），測量范圍達±16g。數(shù)字輸出數(shù)據為16位二進制補碼格式，可通過SPI（3 線或4 線）或I2C 數(shù)字接口訪問。

ADXL345 模塊接口電路圖如圖7 所示。

圖7 ADXL345 模塊接口圖

ADXL345 模塊內部電路圖如圖8 所示。

圖8 中U2 是一個電壓轉換芯片PT9161，它可將5V電壓降至3.3V，C1、C2、C3、C4 是四個濾波電容，R2、R3 是兩個上拉電阻。

■3.8 LCD1602 顯示模塊

LCD1602 液晶屏是很常用的一種顯示器，它不僅功耗低、字符顯示穩(wěn)定而且采用數(shù)字接口，很容易和單片機接口連接，操作也簡單，能顯示各種字符（2×16 個），內部CGROΜ 自帶160 個點陣字符。其原理圖如圖9 所示。

圖9 LCD1602 顯示模塊電路

4 軟件設計

■4.1 主程序設計

系統(tǒng)上電后對各模塊初始化，ADXL345 進行數(shù)據實時讀取并轉化，LED 屏幕上可顯示傾角等數(shù)據，當監(jiān)測到人體角度傾斜變化45 度左右，并且總體加速度超過20，則判斷人體處于跌倒狀態(tài)，單片機驅動蜂鳴器報警，并通過GSΜ 模塊發(fā)送報警短信，否則可以通過復位按鍵取消報警。主程序流程圖如圖10 所示。

圖10 主程序流程圖

■4.2 ADXL345 傳感器程序設計

給ADXL345 供電以后（1.1ms 左右），對ADXL345進行初始化，再通過讀取指令讀取X、Y、Z 三個軸的加速度。讀取ADXL345 三個軸的加速度的流程圖如圖11(a)所示。

系統(tǒng)判斷人體是否跌倒是基于跌倒算法，通過ADXL345 采集并轉換為X，Y，Z 數(shù)據，再計算出傾角數(shù)據ag，記此時的數(shù)據為X1，Y1，Z1，延時10μs 后在讀取X2，Y2，Z2 數(shù)據，通過X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2 計算出和加速度值g。系統(tǒng)將采集的值ag和g與設置的閾值相對比，如果超過了閾值則系統(tǒng)判斷為跌倒狀態(tài)。跌倒算法流程圖如圖11(b)所示。

圖11 ADXL345 讀取數(shù)據和人體跌倒判斷流程圖

5 系統(tǒng)測試

編寫完程序后，將燒錄器和GSΜ 模塊連接，連接到電腦USB 并打開串口助手，使用AT 指令測試GSΜ 模塊能否正常發(fā)短信；再將燒錄器連接到電腦USB，打開串口下載助手stc-isp-v6.89，把編譯好的hex 文件下載到單片機里；將程序下載到單片機里后，再進行硬軟件聯(lián)調，優(yōu)化程序，再將程序燒寫入單片機中，給整個系統(tǒng)上電，程序正常運行后，并對系統(tǒng)的功能進行測試，最后進行電路板的焊接。系統(tǒng)上電后，程序正常運行，顯示數(shù)據準確，能實現(xiàn)人體跌倒的判斷和警報?；蝿覣DXL345 模塊，該模塊三個軸的數(shù)據顯示正常，傾角數(shù)據顯示也正常。系統(tǒng)實物圖如圖12 所示。當系統(tǒng)監(jiān)測到人體角度傾斜超過45 度，并且總體加速度超過系統(tǒng)設置的閾值時，則判斷人體處于跌倒狀態(tài)，單片機驅動蜂鳴器報警，并通過GSΜ 模塊發(fā)送報警短信。

圖12 系統(tǒng)實物圖