基于單片機(jī)的浴室跌倒報(bào)警系統(tǒng)

作者/李芊宇、孟繁盛、周文龍,內(nèi)蒙古大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化系

指導(dǎo)教師：郇矢宇

基于單片機(jī)的浴室跌倒報(bào)警系統(tǒng)

作者/李芊宇、孟繁盛、周文龍,內(nèi)蒙古大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化系

指導(dǎo)教師：郇矢宇

對(duì)于老年人而言，身體的平衡能力較差，屬于跌倒致傷的高發(fā)人群。而浴室的濕滑地面更容易引發(fā)跌倒事件，對(duì)老年人健康和安全造成嚴(yán)重的威脅。針對(duì)浴室跌倒事件，我們?cè)O(shè)計(jì)一種浴室報(bào)警系統(tǒng)，通過人體紅外熱釋電傳感器和壓力傳感器檢測(cè)人體狀態(tài)，如若跌倒則及時(shí)通知監(jiān)護(hù)人了解情況并采取相應(yīng)措施，保證老年人的健康和安全。

單片機(jī)；浴室；跌倒報(bào)警；通信

隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程的加快，跌倒成為威脅老人安全的一大要素，老人意外跌倒監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程緊急救助方面還存在很大的不足。浴室跌倒報(bào)警系統(tǒng)通過人體紅外熱釋電傳感器和壓力傳感器的結(jié)合使用來檢測(cè)老人是否跌倒，若有跌倒事件發(fā)生通過短信、電話和蜂鳴器報(bào)警，及時(shí)通知他人采取相應(yīng)措施盡可能的減輕事故危害。

1. 項(xiàng)目背景分析

目前人體跌倒檢測(cè)方法很多，從信號(hào)采集的角度可將人體跌倒檢測(cè)分為3種：基于視覺的跌倒檢測(cè)，基于聲學(xué)的跌倒檢測(cè)和基于穿戴式傳感器的跌倒檢測(cè)?；谝曈X的跌倒檢測(cè)是通過攝像頭來獲得人體運(yùn)動(dòng)的畫面，通過圖像處理算法提取跌倒的圖像特征判斷是否發(fā)生跌倒，準(zhǔn)確性高，但這種方法容易暴露個(gè)人隱私，且成本較高；基于聲學(xué)的跌倒檢測(cè)，通過檢測(cè)人跌倒時(shí)產(chǎn)生的音頻信號(hào)作為跌倒的判據(jù)，由于浴室內(nèi)水聲及其他聲音的干擾導(dǎo)致誤判率高；基于穿戴式傳感器的跌倒檢測(cè)是通過微型傳感器和控制器做成的微型設(shè)備來進(jìn)行跌倒檢測(cè)，通過算法處理進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，這種產(chǎn)品在室外易于攜帶但是在浴室內(nèi)是不方便攜帶的，并且易受到環(huán)境因素干擾，檢測(cè)精度低。

2. 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

上述三種人體跌倒檢測(cè)方法均不適用于浴室，結(jié)合當(dāng)下人體檢測(cè)產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、合理、實(shí)用的浴室跌倒報(bào)警系統(tǒng)。在浴室這個(gè)特殊空間內(nèi)進(jìn)行跌倒監(jiān)測(cè)，若有意外發(fā)生及時(shí)報(bào)警，盡可能降低對(duì)老人傷害。具體內(nèi)容如下：

2.1 人體狀態(tài)分析

人體處于站立狀態(tài)與跌倒?fàn)顟B(tài)的對(duì)比：首先是人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，進(jìn)行淋浴時(shí)，人體是不斷運(yùn)動(dòng)的，跌倒后人體運(yùn)動(dòng)變得細(xì)微緩慢。其次是雙腳下的壓力的改變，人在正常行走時(shí)雙腳不會(huì)同時(shí)離地，因此雙腳下各點(diǎn)的壓力情況與跌倒時(shí)有很大差異。當(dāng)人突然跌倒時(shí)，雙腳壓力會(huì)發(fā)生突變，甚至同時(shí)失去壓力。因此可以同時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和雙腳壓力的變化，雙重檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提高判斷人體跌倒準(zhǔn)確性。

2.2 人體紅外感應(yīng)開關(guān)

在浴室門口放置一個(gè)基于熱釋電傳感器設(shè)計(jì)的人體紅外感應(yīng)開關(guān)。若檢測(cè)到有人進(jìn)入浴室，啟動(dòng)系統(tǒng)，再次檢測(cè)到人體時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng)，其余時(shí)間進(jìn)行休眠，降低系統(tǒng)功耗。

2.3 跌倒檢測(cè)

通過上面人體狀態(tài)分析，浴室跌倒報(bào)警系統(tǒng)的雙重跌倒檢測(cè)需要雙重檢測(cè)模塊，即運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)上使用人體紅外熱釋電傳感器，壓力監(jiān)測(cè)上使用壓力傳感器，多重監(jiān)測(cè)盡可能的提高檢測(cè)精度。

1)人體紅外熱釋電傳感器

人體紅外熱釋電傳感器對(duì)紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器對(duì)溫度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致電信號(hào)的產(chǎn)生，這種變化對(duì)于人體主要表現(xiàn)為對(duì)人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)緩慢的人體不敏感。洗澡時(shí)，人體是不斷運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)傳感器檢測(cè)不到信號(hào)時(shí)即檢測(cè)不到人體或人體保持不動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平到控制部分，控制部分對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理，若判定有人發(fā)生跌倒，控制部分啟動(dòng)報(bào)警部分進(jìn)行報(bào)警。通過matlab分析得知當(dāng)三個(gè)以上傳感器同時(shí)報(bào)警時(shí)，準(zhǔn)確報(bào)警概率接近100%，誤報(bào)率幾乎為0。因此，當(dāng)三個(gè)或四個(gè)傳感器同時(shí)觸發(fā)警報(bào)時(shí)單片機(jī)發(fā)出報(bào)警。

2）壓力傳感器

壓力傳感器將彈性元件產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，輸出到單片機(jī)。在拖鞋內(nèi)前腳掌和腳后跟位置分別安裝壓力傳感器，正常行走與站立時(shí)腳底各點(diǎn)壓力與跌倒時(shí)有很大差異。當(dāng)人體跌倒時(shí)，雙腳下壓力突變，壓力傳感器輸出電信號(hào)到控制部分，若判定發(fā)生跌倒事件則啟動(dòng)報(bào)警部分報(bào)警。此模塊不僅用于淋浴時(shí)的跌倒檢測(cè)，還可以應(yīng)用于其他場(chǎng)合，特別針對(duì)剛走出熱釋電傳感器的檢測(cè)范圍發(fā)生的跌倒，給老人進(jìn)一步的保障。

采用人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的人體紅外熱釋電傳感器和壓力突變時(shí)監(jiān)測(cè)的壓力傳感器相結(jié)合，提高了人體跌倒檢測(cè)的精度，減小誤判率。

2.4 控制部分

本文采用STC89C51RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制部分。STC89C51RC單片機(jī)有四個(gè)八位可編程并行I/O口，可連接多個(gè)外部設(shè)備，具有抗干擾能力強(qiáng)，低功耗，低輻射等特點(diǎn)，為以后批量生產(chǎn)和產(chǎn)品的更新升級(jí)提供便利。

當(dāng)單片機(jī)接收到傳感器傳來的信號(hào)后，控制部分的單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，通過算法判定跌倒。若判定發(fā)生跌倒，控制報(bào)警部分啟動(dòng)報(bào)警。同時(shí)為了防止誤報(bào)引起的不便，系統(tǒng)還可通過手動(dòng)按鈕暫時(shí)打開或關(guān)閉報(bào)警功能。

2.5 報(bào)警部分

報(bào)警部分提供兩種報(bào)警方式：一是蜂鳴器室內(nèi)語音報(bào)警，二是GSM模塊實(shí)現(xiàn)的短信、電話報(bào)警。

1）蜂鳴器報(bào)警

蜂鳴器是一種一體化的電子訊響器，采用直流電壓供電，通過程序調(diào)整出報(bào)警音樂以達(dá)到示警的目的。當(dāng)判定發(fā)生跌倒事件的時(shí)候，單片機(jī)經(jīng)過一段延時(shí)后控制蜂鳴器發(fā)聲，迅速告警。

2）TC35模塊短信、電話報(bào)警

使用TC35模塊進(jìn)行短信、電話報(bào)警，TC35是Siemeils公司推出的新一代無線通信GSM模塊。GSM模塊支持兩種短信模式，第一種是TEXT模式；第二種是PDU模式。PDU模式可以采用unicode編碼發(fā)送英文、漢字，但合成PDU碼比較復(fù)雜。而TEXT模式只能發(fā)送英文，但無須編碼。實(shí)際使用中我們使用TEXT模式，利用51單片機(jī)的控制輸出，然后在內(nèi)部軟件編程下進(jìn)行數(shù)值變換處理，經(jīng)過三次握手協(xié)議，通過AT+CMGS指令發(fā)送英文短信。

TC35模塊在安裝音頻座后可實(shí)現(xiàn)電話報(bào)警。通過ATD撥號(hào)命令用來設(shè)置通話、數(shù)據(jù)或傳真呼叫，如果沒有撥號(hào)音，NO DIALTONE；如果線路忙，BUSY；如果連接無法被建立，NO CARRIER；如果連接成功，OK+撥通的手機(jī)號(hào)碼，即可撥打電話。當(dāng)判定跌倒事件發(fā)生時(shí)，控制器控制GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信到預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)上，并撥打報(bào)警電話及時(shí)通知相關(guān)人員采取相應(yīng)的措施。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

2.6 預(yù)防措施

沒有消息就是最好的消息，在事故發(fā)生前做好預(yù)防準(zhǔn)備永遠(yuǎn)好過意外發(fā)生，防患于未然，在浴室內(nèi)提前布置好防滑墊、扶手、座椅等，并在裝修時(shí)提前考慮好布局，盡量不選擇裝修有尖銳棱角的浴室設(shè)備，或在已裝修過的浴室里對(duì)尖銳棱角設(shè)備包裹海面之類的柔軟材料，盡量將老人在浴室內(nèi)發(fā)生意外的傷害降到最低。

3. 創(chuàng)新點(diǎn)

本文主要針對(duì)浴室內(nèi)發(fā)生跌倒事件的報(bào)警。雖然建材、各種輔助器材在浴室輔助防跌倒上有了很大的發(fā)展，但是由于浴室地點(diǎn)特殊，洗完澡人的防范心理下降，地面積水使老人更加容易滑倒。浴室地方狹窄沒有物品進(jìn)行緩沖，導(dǎo)致跌倒時(shí)對(duì)人體的傷害極大。隨著社會(huì)發(fā)展，愈來愈多的老人由于種種原因不和兒女居住在一起，或白天兒女上班外出時(shí)家中只有老人，使得老人在家發(fā)生事故不能及時(shí)采取正確有效的措施，造成了嚴(yán)重的傷害，甚至危及生命。

這篇文章對(duì)于以上特殊事件提供了很好的處理方法。老人在家的生命安全有了一定的保障，一旦獨(dú)居老人在浴室跌倒而沒辦法求助，不再只是無助等待別人的發(fā)現(xiàn)，無論兒女在外工作或出差也可以在老人出現(xiàn)事故的第一時(shí)間得到消息，盡快采取相應(yīng)的措施來降低對(duì)生命的威脅。

4. 總結(jié)

作為子女，有義務(wù)為他們提供更加安全的生活環(huán)境，我們應(yīng)盡可能的關(guān)心父母的健康和安全。若有意外跌倒發(fā)生能及時(shí)得到消息，盡快采取相應(yīng)措施，減輕跌倒對(duì)老人的傷害。本文設(shè)計(jì)的浴室跌倒報(bào)警系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，檢測(cè)精度高，報(bào)警實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性好，器件功耗很小，符合市場(chǎng)需求，有很大的發(fā)展空間，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

＊ [1]石欣，熊慶宇，雷璐寧，基于壓力傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010,(03)：715—720.

＊ [2]謝靖，基于頭部運(yùn)動(dòng)軌跡和3D視覺的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)[D].南京大學(xué)，2011.

＊ [3]潘方，RS 232串口通信在PC機(jī)與單片機(jī)通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012,(13)：69—71.

＊ [4]王剛，基于多傳感器的可穿戴跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].導(dǎo)師：何堅(jiān)，北京工業(yè)大學(xué)，2015.