基于MEMS和三重定位的老年人安全報(bào)警器的研究與實(shí)現(xiàn)

王俊文

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，時(shí)代的發(fā)展使子女難以對(duì)父母老人進(jìn)行有效陪伴;同時(shí)，隨著人口老齡化的加劇，越來越多的老年人需要進(jìn)一步的社會(huì)關(guān)注。近年來，老人走丟的情況常常發(fā)生在人們周圍，為了降低老人走失率，保障老人的安全，除了公安部門和家屬的努力，更需要新興科技的加入。在智能穿戴愈來愈流行的時(shí)代，本文針對(duì)老人設(shè)計(jì)了一款穩(wěn)定安全的警報(bào)器，本系統(tǒng)硬件主控板是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103，搭載GSM模塊WiFi模塊，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)GPS、WiFi、LBS三重定位;搭配移動(dòng)客戶端軟件，使監(jiān)護(hù)人能夠通過軟件平臺(tái)查看佩戴者歷史軌跡、實(shí)時(shí)位置、并可手動(dòng)設(shè)置電子?xùn)艡诨蚩蛇x擇根據(jù)用戶歷史軌跡智能推薦安全活動(dòng)范圍;配合靈敏的慣性傳感器MEMS，通過檢測(cè)佩戴者行走步幅步頻震動(dòng)頻率，能夠在老年人摔倒時(shí)及時(shí)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送信息提醒以保證老年人安全。

關(guān)鍵詞：防走失;摔倒報(bào)警; 智能定位; STM32控制

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0140-04 中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

目前， 關(guān)于中國(guó)老人生活現(xiàn)狀研究的一項(xiàng)較新的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析表明[1]，當(dāng)代中國(guó)老年人依然面臨諸多問題，包括老年人口數(shù)量持續(xù)增加，人口老齡化程度持續(xù)加深;收入水平總體不高，因老返貧、因病致貧風(fēng)險(xiǎn)較大;失能、半失能老年人口數(shù)量較大等等。截止2017年底，全國(guó)人口中60周歲及以上人口24 090萬人，占總?cè)丝?7.3%，預(yù)計(jì)到2020年，老年人口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%。根據(jù)《中國(guó)老人走失狀況白皮書》顯示：中國(guó)每年走失老人約50萬人;平均每天有1 370人，不幸的是其中有10%的老人在失蹤后永遠(yuǎn)離開了親人。另?yè)?jù)本次在鄭州市及周邊洛陽(yáng)、開封等城市的大量市場(chǎng)調(diào)研以及7 000份網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查顯示，有67%的家庭表示擔(dān)心自家年邁的老人在回家的路上迷路或者摔倒。目前市場(chǎng)上也鮮有任何報(bào)警類產(chǎn)品能有效地預(yù)防此類事件的發(fā)生，這無疑已是當(dāng)今社會(huì)的痛點(diǎn)之一。本文對(duì)此擬做研究論述如下。

1 系統(tǒng)原理及產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)

1.1 目前已有產(chǎn)品問題

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有傳統(tǒng)報(bào)警器大多是為以PIC單片機(jī)為主控制器、并結(jié)合紅外對(duì)射檢測(cè)技術(shù)和無線通信技術(shù)的短距離產(chǎn)品，往往沒有與監(jiān)護(hù)人客戶端建立聯(lián)系，無法進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位以及摔倒預(yù)警，更無法設(shè)置或智能推薦安全活動(dòng)范圍。而能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位的報(bào)警器大多體積又偏大，不利于老年人隨身攜帶。使用功能復(fù)雜繁瑣的智能手環(huán)等穿戴設(shè)備也無法在第一時(shí)間迅速地向家人傳遞老人地理位置，判斷老年人的安全狀況，還有著老年人操作不便的弊端。

綜上分析可知，市場(chǎng)上現(xiàn)存的產(chǎn)品都存在著一些問題，對(duì)此可表述為：

（1）低親和度。操作較為復(fù)雜繁瑣，不方便老年人群使用。

（2）無法判斷老人安全狀況是否摔倒。

（3）不能及時(shí)發(fā)送用戶實(shí)時(shí)位置。

（4）無法設(shè)置或智能推薦安全范圍。

針對(duì)這些問題，結(jié)合老人的生活特點(diǎn)，本文研發(fā)提出了一款安全報(bào)警器。

1.2 原理設(shè)計(jì)

本作品硬件主控板是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103[2]，搭載GSM模塊WiFi模塊，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）、WiFi、移動(dòng)位置服務(wù)（Location Based Service， LBS）三重定位。客戶端平臺(tái)搭配電子?xùn)艡诠δ?，用戶可自行選擇佩戴者活動(dòng)范圍。并且，軟件還可根據(jù)佩戴者的歷史活動(dòng)記錄，總結(jié)出老人的生活習(xí)慣，智能推薦活動(dòng)范圍以供用戶選擇;報(bào)警器采用了慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），靈敏接收佩戴者行走時(shí)震動(dòng)幅度步頻，故而可在老年人摔倒時(shí)立即向監(jiān)護(hù)人發(fā)送危險(xiǎn)警示;與此同時(shí)，報(bào)警器還設(shè)計(jì)有省電模式與電量提醒功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況做出選擇，保證持續(xù)電能供應(yīng)，并配備雙向通話功能，便于老人在緊急情況下聯(lián)系家人;在外觀設(shè)計(jì)上，用戶則根據(jù)自身喜好選擇香囊或魔術(shù)貼的方式隨身攜帶，美觀且不易丟失。本次研發(fā)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)可闡釋分述如下。

（1）GPS+WiFi+LBS的三重定位方式。通過GSM二級(jí)模塊來傳送信息，構(gòu)建手機(jī)App客戶端連接公司后臺(tái)實(shí)時(shí)傳送接收用戶地理位置信息。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信、語(yǔ)音通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的功能。分析可知，GPS定位系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣、精度最高的定位系統(tǒng)，但其芯片存儲(chǔ)內(nèi)容只有4 h的記錄，并且GPS定位時(shí)需要高壓支持，對(duì)于硬件要求較高，不建議一直使用GPS。WiFi定位是基于附近周圍的無線網(wǎng)絡(luò)基地臺(tái)（WiFi Access Point）的MAC地址，對(duì)比Skyhook數(shù)據(jù)庫(kù)中該MAC地址的坐標(biāo)，交叉計(jì)算出所在地。因此，該種方法對(duì)于設(shè)備的硬件要求比較低。LBS[3]是移動(dòng)設(shè)備測(cè)量各統(tǒng)計(jì)基站的下行導(dǎo)頻信號(hào)，得到不同基站下行導(dǎo)頻的到達(dá)時(shí)刻（Time of Arrival，TOA）或到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA），同時(shí)根據(jù)該測(cè)量數(shù)值并結(jié)合基站的坐標(biāo)（一般采用三角公式估算法）運(yùn)算求得結(jié)果。三重定位方式能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)記錄老人所處地理位置的經(jīng)度及緯度，當(dāng)檢測(cè)到報(bào)警器所處經(jīng)、緯度超出預(yù)定好的經(jīng)、緯度范圍、即電子?xùn)艡诘姆秶鷷r(shí)[4]，報(bào)警器將迅速利用GSM模塊通過最近的基站向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)發(fā)送超出安全范圍路徑的短信提醒。

（2）慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）。人體正常行走時(shí)，其加速度會(huì)周期性地呈現(xiàn)規(guī)則變化，而在發(fā)生跌倒時(shí)，加速度[5]會(huì)發(fā)生劇烈變化，加速度的變化可以反映出人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此，當(dāng)慣性傳感器檢測(cè)到老人的加速度突然超過加速度閾值、且在其后90 s內(nèi)不再出現(xiàn)加速度波動(dòng)時(shí)，報(bào)警器就會(huì)啟用GSM模塊通過最近的基站向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)發(fā)送短信通知并撥打電話。

1.3 主要功能解讀及系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

基于本次研發(fā)的關(guān)鍵核心技術(shù)設(shè)計(jì)，最終得到的系統(tǒng)主要功能包括：一鍵報(bào)警、電子?xùn)艡凇⑺さ咕?、歷史軌跡和智能推薦路徑等。研究可得重點(diǎn)闡述如下。

（1）一鍵報(bào)警。當(dāng)用戶遇到危險(xiǎn)或需要求助時(shí)，可一鍵告知緊急聯(lián)系人準(zhǔn)確位置，聯(lián)系人可第一時(shí)間預(yù)判獲知老人情況，及時(shí)找出應(yīng)對(duì)辦法，降低老人遭遇危險(xiǎn)和傷害機(jī)率。

（2）電子?xùn)艡?。通過對(duì)老人活動(dòng)范圍運(yùn)用歷史統(tǒng)計(jì)方法，繪制生成了用戶活動(dòng)范圍的整體輪廓圖，如果老人走出此區(qū)域就會(huì)通知其家人，這樣就形成了一個(gè)類似圍欄的效果。當(dāng)然，用戶可以自行設(shè)置活動(dòng)范圍。GPS+WiFi+LBS的三重定位方式能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)記錄老人所處地理位置的經(jīng)度及緯度，當(dāng)檢測(cè)到報(bào)警器所處經(jīng)、緯度超出預(yù)定好的經(jīng)緯度、范圍、即電子?xùn)艡谶吔鐓^(qū)域時(shí)，報(bào)警器將立即啟用GSM模塊通過最近的基站向監(jiān)護(hù)人的手機(jī)發(fā)送超出安全范圍路徑的短信提醒。

（3）摔倒警告。將慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）放入報(bào)警器中，在收集一段時(shí)間老人的生活習(xí)慣和出行規(guī)律的數(shù)據(jù)后，根據(jù)老人產(chǎn)生的震動(dòng)，判斷加速度是否處于正常范圍，如果出現(xiàn)摔倒等意外情況，通過TCP/IP協(xié)議，將報(bào)警器收到的地理位置信息和步幅、步頻震動(dòng)參數(shù)傳送至服務(wù)器端，當(dāng)老人不慎摔倒時(shí)，軟件平臺(tái)會(huì)自動(dòng)發(fā)送位置及預(yù)判得出的老人的情況提醒監(jiān)護(hù)人[6]。這是基于老人本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)而言比較穩(wěn)定，且與定位系統(tǒng)相結(jié)合，從而推斷出老人所處的環(huán)境以及可能出現(xiàn)的問題。

（4）歷史軌跡。用戶可在平臺(tái)設(shè)置保留歷史位置信息，隨時(shí)查看老人完整出行記錄，為家人安全提供更多保障。

（5）智能推薦路徑。系統(tǒng)可根據(jù)佩戴者活動(dòng)的歷史軌跡智能規(guī)劃老年人的出行路線，使老人可以提前規(guī)避一些有著潛在不安全因素的道路，降低出行風(fēng)險(xiǎn)[7]。

（6）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，適用于老人。由于老人對(duì)電子產(chǎn)品在使用上存在適應(yīng)周期，并且報(bào)警器需要長(zhǎng)時(shí)間佩戴，保證續(xù)航，老人可以根據(jù)自身需要切換省電模式，報(bào)警器同時(shí)設(shè)計(jì)3種休眠省電模式（全天自動(dòng)休眠、夜間自動(dòng)休眠、實(shí)時(shí)開啟）與電量提醒;在外觀上，報(bào)警器小巧、且方便攜帶，不會(huì)給出行造成負(fù)擔(dān)。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 功能模塊圖

本次研發(fā)系統(tǒng)的功能模塊總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 電子?xùn)艡?/p>

研究中，要判斷攜帶報(bào)警器的老人是否在用戶手動(dòng)設(shè)定的安全活動(dòng)范圍、即電子?xùn)艡趦?nèi)，就是要在GIS（地理信息管理系統(tǒng)）中判斷一個(gè)坐標(biāo)是否在多邊形內(nèi)部。這里，可運(yùn)用Franklin提出的PNPoly算法來運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，核心算法的研發(fā)代碼具體如下。

int pnpoly（int nvert， float *vertx， float *verty， float testx， float testy）

{

int i， j， c = 0;

for （i = 0， j = nvert-1; i < nvert; j = i++）

{

if （ （（verty[i]>testy） ！= （verty[j]>testy）） &&

（testx < （vertx[j]-vertx[i]） * （testy-verty[i]） / （verty[j]-verty[i]） + vertx[i]） ）

c = ！c;

}

return c;

}

2.2.2 摔倒警報(bào)

如果由傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常，軟件會(huì)向聯(lián)系人發(fā)送緊急通知。對(duì)應(yīng)的程序代碼詳見如下。

for （int i = triggerLst.Count - 1; i >= 0; i--）

{

[WB]if（triggerLst[i].IsValid（） == false）

[DW]{

triggerLst.alarm（i）;

continue;

}

}

2.2.3 智能推薦

目前，研究正著重開發(fā)根據(jù)用戶歷史軌跡集合智能推薦路線范圍的平臺(tái)功能。后臺(tái)會(huì)將每一位報(bào)警器攜帶者的歷史軌跡保存下來，為其生成唯一專屬的歷史軌跡集，并根據(jù)其軌跡集，將其軌跡路徑以取點(diǎn)定位的方法統(tǒng)計(jì)生成一份離散點(diǎn)的量度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，借鑒HMM模型[8]、即隱馬爾可夫模型[9]，從可觀察的參數(shù)中確定該過程的隱含參數(shù)，然后利用這些參數(shù)來做進(jìn)一步的分析，根據(jù)數(shù)據(jù)來個(gè)性化地向監(jiān)護(hù)人推薦佩戴報(bào)警器的老年人經(jīng)常活動(dòng)的范圍。用戶可以根據(jù)研究得出的智能推薦來作為設(shè)定電子?xùn)艡诘膮⒖肌?/p>

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 基本信息

尺寸：約長(zhǎng)65 mm*寬50 mm*厚18 mm;主要材質(zhì)：ABS/棉布;電池：鋰聚合物電池800 mAh/3.7 V;充電輸入：DC 5 V/1 A;工作環(huán)境：0 ℃～55 ℃;網(wǎng)絡(luò)頻段：GSM850/900/1800/1900，GPRS。

2.3.2 電路設(shè)計(jì)

考慮到報(bào)警器的輕巧便攜及上述所需功能特點(diǎn)，本次研究采用STM32F103作為主控制器，搭載GSM模塊、WiFi模塊、GPS模塊、慣性傳感器MEMS以及MIC、SPK通訊設(shè)施。研究得到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過高精密度的模塊間集成，該系統(tǒng)的初代硬件集成電路實(shí)物圖即如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

國(guó)內(nèi)專門針對(duì)老年人群、尤其是阿茲海默癥人群的安全報(bào)警器方面的研究仍不多見，相關(guān)產(chǎn)品仍較為缺乏;市面上雖已推出有智能電話、手表等穿戴設(shè)備，但并不適合學(xué)習(xí)能力相對(duì)較差的老年人群以及阿茲海默癥人群學(xué)習(xí)使用;而現(xiàn)今整個(gè)社會(huì)的老齡化趨勢(shì)正在逐步加劇，如何為老年人提供全程伴隨式輔助功能服務(wù)的需求也日趨迫切。因此，本文專門針對(duì)老年人群、尤其是阿茲海默癥人群研發(fā)了這款微型安全報(bào)警器，這里僅以2個(gè)核心設(shè)計(jì)作為實(shí)例，即本此研發(fā)得到的軟件平臺(tái)登錄及主界面如圖4所示，電子?xùn)艡诠δ芗八さ箞?bào)警功能界面則如圖5所示。這一結(jié)果也清晰表明了，本次研究將致力于幫助更多的老人，保障其每一次的安全出行。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)人口老齡化越來越嚴(yán)重，老年人群日益增多，而且隨著社會(huì)生活節(jié)奏的加快，子女難以對(duì)父母老人給予全程陪伴，尤其當(dāng)老年人群外出活動(dòng)時(shí)，其出行安全就已成為老人子女面臨的一個(gè)重大考驗(yàn)。而本系統(tǒng)即可有效地解決這樣的問題。本系統(tǒng)采用GPS、WiFi、LBS三重定位，在精確定位坐標(biāo)條件下，根據(jù)老人生活習(xí)慣設(shè)置電子?xùn)艡诤屯扑]出行路線，并且具有摔倒報(bào)警提醒功能，及時(shí)對(duì)聯(lián)系人通報(bào)老人可能遇到的意外情況。同時(shí)，本款報(bào)警器設(shè)計(jì)精巧、方便攜帶、操作簡(jiǎn)單，適合老年人群使用。

參考文獻(xiàn)

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