基于ADXL345傾角傳感器的老人防跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)

聶影 邵世云龍

摘?要：隨著當(dāng)今社會(huì)老齡化進(jìn)程的逐步加劇，我們?cè)谛侣勚薪?jīng)常能看到老人跌倒了，無(wú)人扶，進(jìn)而導(dǎo)致老人的死亡。本文提出了一種基于ADXL345傾角傳感器的跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。通過ADXL345傾角傳感器實(shí)時(shí)采集老人在日常活動(dòng)中產(chǎn)生的傾角數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)STC89C52進(jìn)行處理，并判斷老年人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，另外運(yùn)用DS18B20實(shí)時(shí)檢測(cè)人體溫度。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到跌倒發(fā)生時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲音提醒老人和周圍的人，并且能夠?qū)?bào)警短信發(fā)送到相關(guān)人員手機(jī)上。

關(guān)鍵詞：老人防跌系統(tǒng);單片機(jī)STC89C52;ADXL345傾角傳感器

一、研究背景

21世紀(jì)被稱為“銀發(fā)世紀(jì)”，人口老齡化是當(dāng)今社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。隨著全球人口老齡化的到來，失獨(dú)老人的比例也越來越大。年親人忙于工作，在外打拼。如果父母均在還能相互扶持，但如果只剩下單親，而經(jīng)濟(jì)條件又不允許請(qǐng)保姆看護(hù)的情況下，老人的安全問題就有了很大的隱患。

據(jù)世界衛(wèi)生報(bào)告，跌倒已經(jīng)成為老年人致死的大概率事件。世界衛(wèi)生報(bào)告數(shù)據(jù)如下，全球每年有約40萬(wàn)的老人死于跌倒后無(wú)人看護(hù)、及時(shí)就醫(yī)。其中60歲以上的占50%以上，70歲以上的占40%。世衛(wèi)組針對(duì)居住在社區(qū)的65歲及以上的老年人進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中30%在一年中發(fā)生過跌倒，80歲以上的則達(dá)到了50%。大約70%的老人，都因跌倒后無(wú)人送醫(yī)而落下殘疾或者直接死亡。由于老年人的身體恢復(fù)慢，跌倒會(huì)嚴(yán)重影響他們的生活質(zhì)量，衣食住行等都很不方便，而且長(zhǎng)期就醫(yī)也會(huì)到來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此我們希望設(shè)計(jì)出一種能感應(yīng)老年人是否跌倒，以及能監(jiān)考老人體溫的檢測(cè)器。在發(fā)現(xiàn)老年人跌倒或高燒等癥狀后，能夠及時(shí)通過GSM發(fā)出求救信號(hào)通知其家人或醫(yī)護(hù)人員，使老年人能夠在第一時(shí)間得到及時(shí)的救助，從而降低傷害，提高老年人的生活質(zhì)量。

二、方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由STC89C52單片機(jī)電路+ADXL345加速度傳感器電路+按鍵電路+蜂鳴器報(bào)警電路+DS18B20溫度傳感器電路+LED燈電路+GSM模塊電路+電源電路組成。

（1）板子豎直放置的時(shí)候，蜂鳴器不報(bào)警，板子歪倒一定角度，則蜂鳴器鳴叫報(bào)警。一段時(shí)間約15s未回復(fù)正確狀態(tài)，GSM發(fā)送報(bào)警信息給手機(jī)：Help me??！。

（2）如果溫度超過38度，蜂鳴器報(bào)警，持續(xù)溫度過高約15s左右，同時(shí)短信報(bào)警：has a cold。

（3）設(shè)計(jì)帶有誤報(bào)警按鍵，蜂鳴器報(bào)警的時(shí)候，如果老人認(rèn)為是誤報(bào)警，則按鍵按下，蜂鳴器停止報(bào)警，如果持續(xù)問題存在還會(huì)報(bào)警。

（4）短信處理過程有指示燈顯示。

（5）GSM模塊是SIM800A，能在芯片檢測(cè)到跌倒或者高溫后發(fā)送信息給家人或者醫(yī)護(hù)人員，使老人第一時(shí)間能夠得到救助。

本系統(tǒng)具體框圖如圖1所示：

STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源電路。擁有這三部分電路后，單片機(jī)即可正常工作。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

如圖3所示，本設(shè)計(jì)選擇傾角傳感器ADXL345模塊，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)相關(guān)的狀態(tài)信息。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高，測(cè)量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。如圖4，DS18B20傳感器耐磨耐碰，體積小，使用方便。封裝形式多樣，是電子設(shè)計(jì)中最為常見的一款溫度測(cè)量傳感器，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完整的控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，前面主要闡述了系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)方案，若要充分發(fā)揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，則需要支持硬件平臺(tái)的軟件程序，即燒寫到單片機(jī)內(nèi)部的程序。

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)開發(fā)環(huán)境是Keil uVision5，Keil uVision5開發(fā)軟件是同時(shí)支持51系列單片機(jī)，以及STM32系列單片機(jī)，是目前最主流的程序開發(fā)軟件，Keil uVision5是STC公司推出最新一代單片機(jī)處理器的編譯、連接和調(diào)試集成環(huán)境。它可以降低開發(fā)周期，從而減少很多成本。Keil uVision5可支持Windows的多種開發(fā)環(huán)境界面，軟件可以使用C/C++語(yǔ)言。Keil uVision5與C語(yǔ)言匹配效率很高，且能檢測(cè)C語(yǔ)言編寫的語(yǔ)法邏輯錯(cuò)誤，能夠非常便捷地編程、查錯(cuò)、更正，使使開發(fā)者非常方便地用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編程。

四、系統(tǒng)調(diào)試

在搭建調(diào)試平臺(tái)后，需要對(duì)軟件程序進(jìn)行調(diào)試。若程序調(diào)試通過后，就可驗(yàn)證系統(tǒng)功能。檢查傾角超過45度后，系統(tǒng)是否能夠發(fā)送信號(hào)。若功能有問題，需要找到問題所在，多次重復(fù)調(diào)試，直到問題解決，所有功能正常運(yùn)行為止。

軟件調(diào)試步驟如下：

（1）在Keil5軟件中先創(chuàng)建一個(gè)工程：?jiǎn)螕舨藛螜谥械摹肮こ獭?，輸入新建工程名“老人防跌?bào)警裝置”，并保存;然后器件選擇“Atmel”目錄下的“AT89C52”。

（2）新建用戶源文件：新建一個(gè)空白文檔，保存為“老人防跌報(bào)警裝置.c”，在空白文檔中編寫源代碼。再將.c文檔添加到工程文件中。

（3）程序編譯和調(diào)試：程序編寫完成后，單擊編譯按鈕，系統(tǒng)會(huì)對(duì)文件進(jìn)行運(yùn)行。一般編寫的程序，會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤或警告。此時(shí)可以在輸出窗口中可看到提示信息，根據(jù)提示找出錯(cuò)誤行并改正。如此多次重復(fù)操作，直到提示沒有錯(cuò)誤為止。

（4）若程序編譯無(wú)錯(cuò)誤后，鏈接生成.HEX文件，將生成的.HEX文件通過串口燒寫到單片機(jī)中。燒寫成功后，開始驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否滿足要求。測(cè)試傾角報(bào)警功能，高溫報(bào)警功能等是否正常。若功能有問題，需要找到問題所在，多次重復(fù)調(diào)試，直到問題解決，所有功能正常運(yùn)行為止。

經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試正常。傾角歪倒超過45度，則蜂鳴器鳴叫報(bào)警。一段時(shí)間約15s未回復(fù)正確狀態(tài)，GSM發(fā)送報(bào)警信息給手機(jī)：Help me??！。溫度超過38度，蜂鳴器報(bào)警，持續(xù)溫度過高約15s左右，同時(shí)短信報(bào)警：has a cold。通過此設(shè)計(jì)，大大減少了老人獨(dú)自在家，跌倒或發(fā)燒無(wú)人照看的幾率，采取措施有效挽救老人的生命！

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基金：1.校級(jí)課題《信息化教學(xué)背景下的智能控制技術(shù)專業(yè)課程改革與實(shí)踐》（項(xiàng)目編號(hào)：2019JG03）：2.省質(zhì)量工程教改建設(shè)省級(jí)課題《工業(yè)4.0背景下的電氣自動(dòng)化專業(yè)改革探究》（項(xiàng)目編號(hào)：GDJD-2018-63）;3.省級(jí)課題青年創(chuàng)新人才類（自熱科學(xué)）《5G時(shí)代下萬(wàn)物互聯(lián)的智慧交通模型研究》（項(xiàng)目編號(hào)：2019GkQNCX014）;4.攀登計(jì)劃《基于人口老齡化現(xiàn)狀而制作的老人跌倒安全預(yù)警裝置》（項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2020a1447）;5.攀登計(jì)劃《基于Arduino控制的可語(yǔ)音識(shí)別的智能分類垃圾桶》（項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2020a1444）