基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器智能安全保障系統(tǒng)

李堯，陳炳杰，汪諾舟，宋月恒，吳凡增，申愷寧，陳波

（ 合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230000 ）

0 引言

據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的報告顯示，中國已經(jīng)逐漸進入老齡化社會，預計到2040 年，65 歲及以上老年人口占總人口的比例將超過20 %，80 歲及以上高齡老人可達7 400 萬人。老年人、殘障人士以及兒童因意外或疾病引發(fā)的摔倒現(xiàn)象較為普遍，摔倒后如未被及時發(fā)現(xiàn)、及救治，將引發(fā)嚴重后果。如何在信息化、科技高速發(fā)展的時代利用智能設備與系統(tǒng)保障這一特殊群體的生命安全，是值得研究的社會化課題。

1 概述

本文設計的智能安全保障系統(tǒng)主要包括可穿戴設備、智能工具以及智能視覺算法。其中，可穿戴設備包括心率血氧傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、無線傳輸傳感器以及陀螺儀。智能工具包括信息存儲模塊、語音控制模塊、短信報警模塊。智能視覺算法通過深度學習，可以智能識別及分析人體姿勢。[1]

2 硬件組成

以STM32 單 片 機 為 主 控， 使 用MAX30102 心率血氧傳感器、LM75 溫度傳感器測量及采集人體數(shù)據(jù)，利用MPU6050進行人體姿態(tài)角、加速度的數(shù)據(jù)測量，利用ESP8266WiFi 傳感器將監(jiān)測到的生理數(shù)據(jù)傳輸至云端和手機APP。存儲在單片機中的相關算法對數(shù)據(jù)進行處理及分析，判斷佩戴者摔倒或出現(xiàn)身體異常姿態(tài)時，激發(fā)蜂鳴器報警。手機APP、云端以及位于工具內(nèi)部的SIM 卡短信模塊以多種方式報警。

利用LD3320 語音識別模塊實現(xiàn)語音交互功能，利用ESP8266 模塊、SIM800C 短信模塊進行云端及短信報警。當使用者說出帶有相關關鍵詞的語句后，語音識別模塊越過人體數(shù)據(jù)監(jiān)測，直接進入手機APP、云端及短信報警流程。

2.1 可穿戴設備

人體摔倒時，姿態(tài)角和加速度呈現(xiàn)較大變化。MPU6050 傳感器作為全球首例6 軸運動處理組件，可準確追蹤快速與慢速動作，已被廣泛應用于智能手機以及各種手持型游戲設備，有利于人體姿態(tài)數(shù)據(jù)收集和分析處理。

人體突發(fā)疾病，如腦梗塞、心肌梗塞等急性致死疾病時，心率、血氧、體溫也都會出現(xiàn)一定程度的異常情況。以腦梗塞為例，發(fā)病時通常出現(xiàn)心律失常、脫水、動脈炎、休克等癥狀[2]。以心肌梗塞為例，同樣在發(fā)病時出現(xiàn)心律失常、休克、心力衰竭、心肌需氧量突然增加以及發(fā)熱等并發(fā)癥狀[3]。因此，在設備中選用了集心率監(jiān)測與血氧監(jiān)測為一體的MAX30102 芯片。MAX30102 是集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊，同樣為智能手機與智能穿戴設備設計。它集成了多個LED、光電檢測器、光器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，優(yōu)點在于功耗極低，有效節(jié)省空間。心率測量方法采用光電容積法，該方法利用人體組織在血管搏動時造成的透光率不同進行脈搏和血氧飽和度的測量。LED 光束射向手腕皮膚時，人體組織反射光線至光電變換器，光電變換器轉換成電信號放大并輸出，經(jīng)過AD 轉換器轉化為數(shù)字信號。

光透過皮膚組織反射至光敏傳感器時，產(chǎn)生光照衰減現(xiàn)象。肌肉、骨骼、靜脈和其他組織對光的吸收基本不變，由于動脈中存在血液流動，故血液對光的吸收會有所變化。當傳感器把光轉換成電信號時，動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變。因此，得到的信號可以分為直流DC 信號和交流AC 信號。提取其中的AC 信號，就能反應血液流動的特點。通過對原始PPG 信號進行濾波處理，得到一定時間內(nèi)的波峰個數(shù)，計算得出心率值。血液中含有的氧合血紅蛋白和血紅蛋白存在一定的比例，利用紅光分別檢測氧合血紅蛋白和血紅蛋白的PPG 信號，通過程序處理得到相應比值，即得到血氧值。

選用LM75 傳感器用于溫度測量，可提供過熱檢測輸出，在-55℃～+125℃范圍內(nèi)轉換數(shù)字信號[4]，其基本性能滿足可穿戴設備測溫需求，用于監(jiān)測人體體溫并與傳感器監(jiān)測的信號數(shù)據(jù)進行混合處理及分析。

上述傳感器集成于可穿戴腕表式裝備中，佩戴于手腕處，使用單片機通過I2C 或模擬I2C 接口進行心率血氧值、溫度值、角度值、加速度值的讀取。當心率血氧值、溫度值持續(xù)低于或高于設定閾值，單片機發(fā)出相應指令將異常數(shù)據(jù)打包發(fā)送至云端和手機APP，蜂鳴器報警；當角度值、加速度值的瞬時數(shù)據(jù)超過閾值時，單片機發(fā)出指令傳輸數(shù)據(jù)并報警。

可穿戴設備組成框圖如圖1 所示。

圖1 可穿戴設備組成框圖

2.2 智能工具

利用STM32 單片機控制語音識別傳感器 模 塊，ESP8266WiFi 模 塊 和SIM800C 傳感器模塊進行處理運算。語音識別傳感器采用LD3320 芯片，該芯片為非特定人語音識別芯片，最多可識別50 條預先設置的指令。ESP8266 是ai-thinker 公司推出的一款無線WiFi 模塊，其屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，內(nèi)置無線網(wǎng)絡協(xié)議IEEE802.11b.g.n 協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧,是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的重要組成部分。SIM800C 芯片是一款四頻GSM/GPRS 模塊，為城堡孔封裝，其性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價比高，低功耗實現(xiàn)語音、SMS 和數(shù)據(jù)信息的傳輸，具備短信、彩信發(fā)送以及短信廣播功能。

語音識別模塊收集到的語音指令經(jīng)STM32單片機處理比對，確定為預設的報警指令時，WiFi 模塊發(fā)送報警信息至云端和手機APP，控制SIM 短信模塊將預設的求救信息發(fā)送至預定手機，觸發(fā)蜂鳴器求救警報。

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)存儲及求助系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲及求助系統(tǒng)由前文所述的ESP8266WiFi 模塊、SIM800C 短信模塊以及云端存儲器構成。其中，WiFi 模塊負責將可穿戴設備收集到的人體生理健康數(shù)據(jù)傳輸至云端存儲器，同時負責在接收到單片機發(fā)送的報警信號時將異常數(shù)據(jù)、求救信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)聯(lián)體云平臺；接收到報警信息時，短信模塊將包含家庭住址、異常生理數(shù)據(jù)、直系親屬聯(lián)系電話的預存短信發(fā)送至當?shù)?10 指揮中心、SIM卡內(nèi)預存的醫(yī)院和緊急聯(lián)系人，第一時間實現(xiàn)大范圍通知，實現(xiàn)飽和式求救。

設定長按鍵，設定取消報警和主動報警。謹防日常生活中某些行為或話語觸發(fā)系統(tǒng)誤報警，造成社會資源的浪費。主動報警適用于佩戴者出現(xiàn)意外但系統(tǒng)判斷失誤未進行報警，同時也適用于出現(xiàn)其他人身傷害或財產(chǎn)損失時的緊急求助。

3.2 姿態(tài)識別系統(tǒng)

姿態(tài)識別系統(tǒng)由yolo v5 軟件開發(fā)設計，選用CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡）算法實現(xiàn)人體姿態(tài)的深度學習，對被監(jiān)測對象的人體姿態(tài)進行識別與判斷。判斷結果與MPU6050 傳感器監(jiān)測到的異常加速度、異常姿態(tài)角等數(shù)據(jù)進行融合分析，提高精準度。

安全狀態(tài)下的阿里云平臺信息展示如圖2所示。心率異常報警狀態(tài)下的阿里云平臺信息展示如圖3 所示。

圖2 安全狀態(tài)下的阿里云平臺信息展示

圖3 心率異常報警狀態(tài)下的阿里云平臺信息展示

4 結語

項目通過多種裝置與系統(tǒng)進行智能結合與交互，完成采集數(shù)據(jù)、上傳存儲、APP 查看、云端共享等功能，實現(xiàn)了較為完善的報警求助功能，為使用者提供多方位的保護與救助。通過軟硬件調(diào)試、改進和優(yōu)化，確認了系統(tǒng)在安全保障方面的實際效果，在一定程度上實現(xiàn)了家庭安全保障設備的智能化和自動化。