保護(hù)老人小孩安全的隱蔽定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭笑塵， 李梅

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

眾所周知，隨著中國老齡化的加速和二胎政策的實(shí)行，我國將迎來一個(gè)老年人和小孩比例高峰。而與此同時(shí)，一些問題也就暴露出來：1)美國阿茲海默癥協(xié)會(huì)發(fā)布今年數(shù)據(jù)，顯示阿茲海默癥患者數(shù)量持續(xù)上升，與此同時(shí)，這樣的情況還在加劇。預(yù)計(jì)2025年時(shí)，65歲以上患者將比現(xiàn)在增加近3成，到2050年，人數(shù)更會(huì)翻倍，總?cè)藬?shù)超過1 380萬[1]。市面上很多裝置都會(huì)選擇手環(huán)一類用于定位，但是，手環(huán)又過于顯眼，與此同時(shí)，他們又都保留著人最基本的尊嚴(yán)，很多老人不想讓別人知道他們的特殊情況。而阿爾茲海默癥患者最讓親屬擔(dān)心的就是他們所在的位置，這就造成一個(gè)矛盾； 2)由于小孩的分辨本領(lǐng)和防暴本領(lǐng)較弱，拐賣兒童問題屢見不鮮，雖然有了類似I-Watch等設(shè)備，不過由于過于顯眼，犯罪分子能夠第一時(shí)間拆除而導(dǎo)致設(shè)備失效3)因?yàn)榕糠辣┠芰σ话?，而身上多有貴重物品，因此女士路遇搶劫也成為了某些地區(qū)的常見犯罪問題。為了預(yù)防以上情況的發(fā)生，本設(shè)計(jì)針對(duì)弱勢(shì)群體的安全問題設(shè)計(jì)了一套電子嵌入式定位系統(tǒng)。

隱蔽性強(qiáng)是本設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)為解決同類的電子設(shè)備出現(xiàn)的高誤報(bào)率、交互性差、高功耗問題，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作模式設(shè)計(jì)、系統(tǒng)報(bào)警策略改進(jìn)、電路設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)等方式得到了一套相較可觀的解決方案。為了保持危險(xiǎn)到來時(shí)信號(hào)的及時(shí)發(fā)出，采用經(jīng)典的GSM來完成通訊系統(tǒng)。同時(shí)又加入了無線通信技術(shù)來跟現(xiàn)在的先進(jìn)科技對(duì)接又增強(qiáng)設(shè)備的可利用性和嵌入式技術(shù)使功能相對(duì)完善。在本設(shè)計(jì)中，以STM32F103ZET6為核心[2]，GSM與GPS作為通信和定位裝置的嵌入式平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與框架架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6為主控芯片。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，裝置啟動(dòng)。通過GSM模塊向手機(jī)發(fā)出信號(hào)，同時(shí)用戶對(duì)警報(bào)信息進(jìn)行判斷；通過GSM實(shí)現(xiàn)與用戶的信息交互，以達(dá)到實(shí)時(shí)通訊；通過GPS實(shí)現(xiàn)定位功能[4][5]；又加入了紅外模塊協(xié)助控制主控芯片。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 工作模式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用STM32F103ZET6支持的睡眠模式與平時(shí)模式[6]，按鍵在第一次觸發(fā)時(shí)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)稱為檢測(cè)模式，按鍵在第二次觸發(fā)時(shí)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)稱為警報(bào)模式，警報(bào)在沒有觸發(fā)時(shí)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)稱為平時(shí)模式。以下為工作模式的切換設(shè)計(jì)：

(1) 系統(tǒng)在上電啟動(dòng)后進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，如果在設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)再次出現(xiàn)按鍵裝置啟動(dòng)現(xiàn)象，則進(jìn)入警報(bào)模式；若在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有任何異動(dòng)發(fā)生，則系統(tǒng)自動(dòng)切換到平時(shí)模式。[7]

(2) 系統(tǒng)處于平時(shí)模式時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核停止工作，系統(tǒng)可以被按鍵裝置開啟進(jìn)入檢測(cè)模式。

系統(tǒng)通過三種工作模式的切換來降低功耗。工作模式切換如圖2所示。

圖2 工作模式切換示意圖

1.3 系統(tǒng)報(bào)警策略設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)改進(jìn)了系統(tǒng)報(bào)警策略以解決普遍存在的誤報(bào)率高的問題。

(1) 物理干涉。設(shè)計(jì)員經(jīng)過對(duì)3-8歲的不同年齡段的孩子進(jìn)行力量測(cè)試，取得平均值，提高了按鍵強(qiáng)度，使之不會(huì)因?yàn)樾?dòng)作觸碰而導(dǎo)致工作模式的改變及求救發(fā)出，又解決了因?yàn)殚撝颠^大導(dǎo)致警報(bào)不能及時(shí)發(fā)出的問題。

(2) 本設(shè)計(jì)通過算法設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)報(bào)警策略的第二次判斷。使監(jiān)控模塊能自動(dòng)對(duì)警報(bào)的一些情況進(jìn)行初步分析和判斷，改善了誤報(bào)情況的發(fā)生。監(jiān)控模塊依據(jù)這一算法濾掉可能引起警報(bào)啟動(dòng)的正常因素，比如孩子在一起玩鬧，不經(jīng)意碰到，或者摔倒導(dǎo)致的按鍵啟動(dòng)；顛簸引起的半規(guī)矩性按鍵啟動(dòng)。模塊忽略此類異動(dòng)后，進(jìn)入正常檢測(cè)狀態(tài)。

(3) 本設(shè)計(jì)采用了兩種工作環(huán)境，在第一觸碰按鍵時(shí)不會(huì)造成警報(bào)，只是變?yōu)闄z測(cè)模式。在之后的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了第二次報(bào)警狀況，才對(duì)手機(jī)發(fā)出緊急警報(bào)指令。在主控芯片的控制下通過GSM模塊發(fā)送消息到受警者(接受警報(bào)信號(hào)的人，即短信接收端)手機(jī)[8]，受警者收到短信后，依據(jù)對(duì)使用者所處狀況做出判斷，具體判斷情況如下：

如果是自然環(huán)境因素導(dǎo)致使用者需要穿衣或是收攏衣服而導(dǎo)致觸發(fā)警報(bào)，同時(shí)受警者能確認(rèn)使用者的安全問題，可通過短信回復(fù)命令來忽略本次警報(bào)同時(shí)進(jìn)入警報(bào)模式；

如果受警者判斷使用者危險(xiǎn)，則短信回復(fù)命令使模塊進(jìn)入警報(bào)模式，通過GPS以及GSM模塊協(xié)作[9]，每隔相同時(shí)間就發(fā)送位置信息到受警者手機(jī)[10]。

通過上述報(bào)警策略，在保證精確定位同時(shí)又能降低誤報(bào)率和對(duì)人工判斷的依賴性。報(bào)警策略流程圖如圖3所示。

圖3 報(bào)警策略設(shè)計(jì)圖

1.4 系統(tǒng)解除警報(bào)設(shè)計(jì)

為了使裝置能夠在非危險(xiǎn)情況下，以及在危險(xiǎn)解除情況下解除警報(bào)狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩種解除模塊報(bào)警的方式：

(1) 通過手機(jī)短信來解除警報(bào)狀態(tài)：在模塊進(jìn)入警報(bào)狀態(tài)后保持檢測(cè)用戶的短信命令，通過短信發(fā)送sleep可以控制模塊進(jìn)入平時(shí)模式。

(2) 通過紅外遙控器協(xié)助解除警報(bào)狀態(tài)控制模塊進(jìn)入平時(shí)模式。

解除報(bào)警設(shè)計(jì)對(duì)裝置進(jìn)行解除報(bào)警，如圖4所示。

圖4 解除報(bào)警設(shè)計(jì)圖

1.5 隱蔽性、可拆卸達(dá)成策略

本設(shè)計(jì)為金屬材質(zhì)，使裝置體積做到盡量小。并在邊緣不影響設(shè)備操作的部分區(qū)域?qū)ΨQ打孔，將該裝置固定在等大的粘扣上。來達(dá)到在衣服上固定、不易丟失并且隱蔽的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件組成設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)從芯片上引出了兩個(gè)串口來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制，使之連成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目的。外部只保留一個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)電源的開關(guān)和警報(bào)的輸出、信息的發(fā)送。又使用了芯片上的兩個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的通斷的控制[11]。

2.2 主控芯片與GPS模塊的連接與通信

此處使用ATK-NEO-6M GPS模塊作為本設(shè)計(jì)中的定位模塊。該模塊可以通過串口進(jìn)行參數(shù)的配置并設(shè)定其工作狀態(tài)，來達(dá)到功能的實(shí)現(xiàn)。開機(jī)后對(duì)GPS初始化，初始化完成后，GPS系統(tǒng)與衛(wèi)星形成關(guān)聯(lián)，能夠得到有效信息，返回芯片，經(jīng)過處理后將所得信息有效部分發(fā)送至受警者手機(jī)，實(shí)現(xiàn)GPS與GSM的交互，操作簡(jiǎn)單也有效地達(dá)到了期望目的[12]。

2.3 主控芯片與GSM模塊的連接與通信

因?yàn)槟承┢h(yuǎn)山區(qū)網(wǎng)絡(luò)的不發(fā)達(dá)，故使用了經(jīng)典的GSM模塊，此處使用“全球鷹-SIM900A”GSM模塊作為本設(shè)計(jì)中的GSM模塊。該模塊可以做到對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，可以很好的實(shí)現(xiàn)短信的實(shí)時(shí)傳輸，能夠很好的適應(yīng)核心芯片和實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目的[13]。

2.4 硬件設(shè)計(jì)電路

為進(jìn)一步節(jié)省功耗，設(shè)計(jì)者使用圖5所示的控制電路對(duì)GSM、GPS模塊進(jìn)行控制。只有進(jìn)入警報(bào)模式后，主控芯片才會(huì)控制接通GPS，使其開始工作。

圖5 電源控制電路圖

3 測(cè)試效果

3.1 誤報(bào)測(cè)試

測(cè)試中以輕微的觸碰和穿脫衣服模擬產(chǎn)生誤報(bào)信號(hào)，監(jiān)控模塊32%未從模式中喚醒，56%從模式中喚醒，不過由于算法這一模塊的存在，導(dǎo)致裝置沒有進(jìn)入警報(bào)模式而是等待后續(xù)信號(hào)以完成之后的判斷。如果之后沒有預(yù)保留信號(hào)的輸入，5分鐘后裝置進(jìn)入平時(shí)模式。

3.2 報(bào)警測(cè)試

測(cè)試中以連續(xù)多次有效按鍵模擬報(bào)警信號(hào)，排除預(yù)保留信號(hào)的前提下，裝置向受警者發(fā)送信息，得到受警者確認(rèn)后向受警者發(fā)送位置信息。實(shí)驗(yàn)表明，在引入算法后，誤報(bào)率高的問題有了明顯的改善，因?yàn)楦鞣N模式切換和電路的再開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了耗電量低的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了長期工作的目的。由于上電后裝置需要時(shí)間來啟動(dòng)，所以裝置在被觸發(fā)后有一段時(shí)間的延遲。

3.3 耗能測(cè)試

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，市面上大多數(shù)類似裝置只能用大概8小時(shí)左右，在絕對(duì)待機(jī)的情況下只能維持20小時(shí)。經(jīng)過使用多種工作模式自動(dòng)切換以及控制GSM與GPS電源的方式，確實(shí)做到了極大地提高續(xù)航時(shí)間。[14][15]

3.4 隱蔽性測(cè)試

設(shè)計(jì)者和同學(xué)將其戴在身上10天，沒有人被問到關(guān)于本設(shè)備的問題，沒有引起大家的注意，證實(shí)隱蔽性良好。

3.5 可拆卸測(cè)試

設(shè)計(jì)者將該裝置固定在不同材質(zhì)的衣服上。在將公扣縫在所需衣物上時(shí)，附著效果良好，可重復(fù)利用50次以上。在沒有公扣的前提下，除了毛衣效果一般，其他非毛料衣物效果很差。

4 總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)弱勢(shì)群體(老人，女性，小孩)的精神和身體的保護(hù)，設(shè)計(jì)了一套基于GSM和GPS的嵌入式通訊系統(tǒng)。使用一鍵式通訊技術(shù)達(dá)到了提高交互性的目的。又使用了不同的工作模式來應(yīng)對(duì)不同的狀態(tài)，并且設(shè)計(jì)新電路來達(dá)到對(duì)GSM與GPS電源的控制來節(jié)省功耗。本設(shè)計(jì)另外特點(diǎn)就是隱蔽性好和可拆卸。可拆卸的特點(diǎn)使之達(dá)到了多次利用的目的。而隱蔽性好使得使用者在遇到危險(xiǎn)時(shí)，裝置不會(huì)在第一時(shí)間被犯罪分子拆毀而起不到應(yīng)有的效果。測(cè)試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能達(dá)到多次利用，消除了絕大部分的誤報(bào)，提高了可交互性，且功耗極低，隱蔽性良好。因此達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。