老人摔倒實(shí)時(shí)保護(hù)智能腰帶

馬華彬 王臣煒 韓桂明

【關(guān)鍵詞】智能腰帶;精準(zhǔn);保護(hù);可穿戴設(shè)備;嵌入式

我國(guó)于20世紀(jì)末進(jìn)入老齡化社會(huì)，預(yù)計(jì)到2050年將進(jìn)入深度老齡化階段，成為老齡化程度最嚴(yán)重的國(guó)家[1]，這也將從多方面給我國(guó)社會(huì)帶來巨大的壓力和挑戰(zhàn)。整個(gè)國(guó)際社會(huì)都在關(guān)注老齡化問題，而一直以來，老年人失蹤、跌倒事件頻頻發(fā)生，其造成的后果十分嚴(yán)重。于是，老年人的安全監(jiān)護(hù)成了一個(gè)突出的社會(huì)性問題[2]。隨著年紀(jì)增長(zhǎng)，老年人身體機(jī)能下降并伴隨多種老年性疾病，使之在日常生活中更容易跌倒，解決此問題的核心技術(shù)便是跌倒檢測(cè)技術(shù)與保護(hù)裝置。此外，當(dāng)前社會(huì)老年人跌倒后無人敢攙扶、無人敢救，漸漸成為一種普遍的社會(huì)現(xiàn)象，在這種情況下，跌倒對(duì)老年人來說更是致命的。如何在信任危機(jī)日益嚴(yán)重的社會(huì)中維護(hù)老年人的生命健康權(quán)利，成為日漸重要的議題。因此針對(duì)老年人對(duì)安全保證的迫切需求，利用電子信息技術(shù)對(duì)于解決此問題有著極大的社會(huì)價(jià)值。

一、系統(tǒng)總體方案

STM32F411CEU6作為本設(shè)計(jì)的主控芯片，利用芯片的IIC外設(shè)接口對(duì)MPU6050陀螺儀和BMP280氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)采集和AT24C02進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ);利用USART串口接口對(duì)SIM800無線通信通訊物聯(lián)網(wǎng)核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，通過STM32F411CEU6芯片的USART串口接口發(fā)送AT指令，將SIM800無線通信通訊物聯(lián)網(wǎng)核心板所采集到的位置信息返回給控制中心進(jìn)行處理，當(dāng)檢測(cè)到老人發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，也由SIM800無線通信通訊物聯(lián)網(wǎng)核心板向老人的監(jiān)護(hù)人發(fā)送緊急求救短信，并通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，引起周邊人的注意，實(shí)施救援。

電源模塊設(shè)計(jì)：在本設(shè)計(jì)中STM32F411CEU6芯片的工作電壓在1.7V～3.6V之間，而平時(shí)使用的鋰電池的電壓是4.2V，超過了該芯片最大的工作電壓，所以必須加個(gè)降壓穩(wěn)壓電路，為了方便，我們用了AMS1117-3.3芯片把電壓降至3.3V。又由于SIM800模塊的啟動(dòng)電壓和啟動(dòng)電流要求較高需要到5V的電壓和1A的電流，所以采取的方案是將兩節(jié)鋰電池串聯(lián)。

顯示模塊設(shè)計(jì)：OLED12864液晶顯示屏。之所以它叫OLED12864，是因?yàn)樗姆直媛示褪?28*64，是由128*64個(gè)點(diǎn)組成的顯示，可以通過程序來控制這些點(diǎn)的顯示效果，構(gòu)成更完美的人交互界面。OLED12864具有8位并行、2線或者3線串行多種接口方式，由于并行驅(qū)動(dòng)占用IO口較多，所以本項(xiàng)目采用的是穿行SPI的驅(qū)動(dòng)方式。OLED的工作電壓為3.0V～5V，我們這里為了降低功耗所以用了3.3V。

MPU6050陀螺儀設(shè)計(jì)：MPU6050在本項(xiàng)目中起到至關(guān)重要的作用，沒有了它，該項(xiàng)目就無法對(duì)老人姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。MPU6050是世界上第一款集成6軸設(shè)備，內(nèi)部集成了3軸陀螺儀與3軸加速度計(jì)，和一個(gè)數(shù)字處理器，體積封裝雖小，但是功能強(qiáng)大。MPU6050通過IIC接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，可以通過不同的指令進(jìn)行讀寫操作。MPU6050的工作電壓范圍是2.5V～3.6V，該設(shè)計(jì)用了3.3V的電壓對(duì)其供電。內(nèi)部也集成了可編程的外部中斷，如自由落體中斷、敲擊響應(yīng)中斷、搖動(dòng)感應(yīng)中斷。因此MPU6050被廣泛用于手機(jī)、攝影云臺(tái)、四軸飛控等領(lǐng)域。

GPS定位模塊設(shè)計(jì)：在本設(shè)計(jì)中我們采用的GPS定位模塊是杭州中科微電子的ATGM336H，該模塊是第三代北斗+GPS雙模導(dǎo)航定位，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該模塊具有高靈敏度、低功耗等優(yōu)勢(shì)。適用于導(dǎo)航和可穿戴設(shè)備，據(jù)了解，許多共享單車都用的該模塊。該模塊的工作電壓范圍是2.7V～3.6V，該設(shè)計(jì)用的是3.3V，剛好在正常工作電壓范圍內(nèi)。該模塊還內(nèi)置天線檢測(cè)及天線短路功能為開發(fā)和設(shè)計(jì)節(jié)省了大量時(shí)間。通信方式主要是以串口的方式，直接發(fā)送AT指令來控制和獲取數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單方便。為了降低功耗，本設(shè)計(jì)還利用RT9193電源管理芯片對(duì)該模塊電源的獨(dú)立控制，在檢測(cè)到老人沒佩戴或者不移動(dòng)時(shí)可以通過IO的高低點(diǎn)平對(duì)電源模塊進(jìn)行使能、失能操作

二、系統(tǒng)軟件概述

本系統(tǒng)軟件部分是由：系統(tǒng)初始化、外部硬件初始化、開啟定時(shí)器、外部中斷給相關(guān)寄存器賦初值。配置MPU6050陀螺儀，BMP280氣壓計(jì)，讓其工作。配置完后進(jìn)入循環(huán)中斷系統(tǒng)，首先進(jìn)入的是通過AD采集光敏電阻電壓后檢測(cè)佩戴，若檢測(cè)到未佩戴模式，則進(jìn)入低功耗模式，關(guān)閉無須工作的外設(shè)，從而達(dá)到低功耗目的，若檢測(cè)到為佩戴狀態(tài)則運(yùn)行后續(xù)。定時(shí)器采集MPU6050陀螺儀數(shù)據(jù)和BMP280數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過算法得出老人姿態(tài)，然后進(jìn)行信號(hào)觸發(fā)，信號(hào)觸發(fā)后進(jìn)行警報(bào)，以及發(fā)送短信求救。

三、瞬間閃護(hù)系統(tǒng)

由于老人年齡的增長(zhǎng)，反應(yīng)速度越來越慢，在遇到摔倒這種突發(fā)情況時(shí)，老人佩戴的摔倒實(shí)時(shí)保護(hù)腰帶會(huì)瞬間產(chǎn)生響應(yīng)，并在老人失去平衡的瞬間觸發(fā)智能防護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)行有效地保護(hù)。這套系統(tǒng)不受環(huán)境和運(yùn)動(dòng)的限制，老人穿戴該腰帶時(shí)可以進(jìn)行一切有益于身體健康的運(yùn)動(dòng)。

四、智能防護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括氣囊和氣瓶，可以實(shí)現(xiàn)通過接收到瞬間閃護(hù)系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)行氣瓶與氣囊之間的智能充氣，既可以最大限度滿足老人摔倒防護(hù)需求，也可以讓老人在摔倒時(shí)不必受到痛苦的折磨，而是在摔倒在地時(shí)有舒適的氣囊進(jìn)行保護(hù)。

五、智能報(bào)警系統(tǒng)

目前遠(yuǎn)程報(bào)警可以分為兩類，一類是老人摔倒時(shí)對(duì)移動(dòng)端發(fā)送的緊急指令。另一類是老人摔倒后，報(bào)警裝置啟動(dòng)，吸引周圍人的注意，進(jìn)行有效的救助，簡(jiǎn)單講就是對(duì)老人的身體健康進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即對(duì)老人摔倒時(shí)的緊急提醒，也就是目前市場(chǎng)上常說的安全報(bào)警系統(tǒng)。

六、結(jié)論

本腰帶體積小，佩戴方便，老人佩戴該裝置不受氣候、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)等因素的限制，可以每天起床時(shí)像衣服一樣穿戴并進(jìn)行工作，且觸發(fā)精度高。這款產(chǎn)品能在一定程度上減輕老人摔倒時(shí)受到的沖擊力。這項(xiàng)研究技術(shù)能服務(wù)于老人的生活，用智能科技改善老人的生活質(zhì)量。這次的設(shè)計(jì)從最開始的靈感到落定計(jì)劃再到實(shí)施最后到完成，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一年的制作過程，最終完成了智能腰帶的設(shè)計(jì)。