基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老年人防走丟與摔倒警報系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

朱鈺龍，胡宸鳳，竇研哲，肖 凡

（華北電力大學(xué)，北京 102200）

0 引 言

2019年6月，由中國老年學(xué)和老年醫(yī)學(xué)學(xué)會老齡傳播分會、中國疾控中心慢病中心、國家衛(wèi)健委北京老年醫(yī)學(xué)研究所等七家機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布《老年人防跌倒聯(lián)合提示》，呼吁全社會從強化老年人個人意識、促進居家適老化改造等方面努力，重視跌倒對老年人健康和生命造成的嚴重威脅。

世面上諸多基于GPS接收模塊的產(chǎn)品，如GPS智能手機、車載GPS導(dǎo)航等，雖然功能豐富，如帶有可視化地圖等，但成本過高，并不適合老年用戶群體。

傾斜角檢測法是最常見的摔倒檢測方法之一，但因為現(xiàn)有傾斜角傳感器的局限性，設(shè)備必須以特定或幾種方式放置，在成本控制方面存在一定的局限性。

本文研發(fā)的老年人防走丟與摔倒警報系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）能實現(xiàn)GPS定位經(jīng)緯度顯示和摔倒檢測，還具有通過手機短信收發(fā)位置、語音播報請求幫忙等功能。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的理念設(shè)計

通過走訪養(yǎng)老機構(gòu)、有老人的家庭、老人獨居家庭，調(diào)查了老人對于現(xiàn)有智能設(shè)備的擔心和平均每天使用智能設(shè)備的時間，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 老人對于現(xiàn)有智能設(shè)備擔心的問題

圖2 平均每天使用智能設(shè)備的時間

由此我們可以得出結(jié)論：老年人無法付出過多的學(xué)習(xí)成本，他們需要的僅僅是能夠簡單實現(xiàn)所需功能的“一體機”，并且他們很看重設(shè)備的花費和易損程度。由于很少有老年人能熟練使用智能手機等設(shè)備，對于老年人的“萬物互聯(lián)”，終端只能是他們的兒女和監(jiān)護人。

1.2 硬件與軟件的要點設(shè)計

硬件：STM32系列單片機是32位單片機，處理速度相對較快。本次設(shè)計綜合考慮人機交互需求，采用LCD1602顯示器作為系統(tǒng)的人機交互設(shè)備，以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量顯示。摔倒檢測模塊選用配有SW-18015P振動傳感器的模塊。

軟件：采用C語言編寫程序。分模塊編寫程序，將子程序模塊編寫完成之后進行整體程序功能的邏輯設(shè)計，使程序具有較高的移植性和擴展性。

設(shè)備整體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備整體功能結(jié)構(gòu)

1.2.1 單片機的選擇

STC系列單片機：STC單片機外設(shè)簡單，只需正確搭建最小系統(tǒng)單片機就可以正常工作。寄存器與I/O管腳操作相對簡單。

STM32系列單片機：STM32系列單片機在消費領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍。STM32系列單片機是32位單片機，處理速度相對較快。STM32系列單片機采用ARM內(nèi)核架構(gòu)，處理速度進一步得到優(yōu)化。

樹莓派系統(tǒng)：樹莓派具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，擁有高規(guī)格的存儲和運算能力，但這些功能對于受眾群體而言過于冗余。樹莓派的硬件構(gòu)成較為復(fù)雜，價格相對傳統(tǒng)的單片機更昂貴。

綜合考慮，本系統(tǒng)采用STM32系列單片機實現(xiàn)相關(guān)功能，完成最小系統(tǒng)與外圍設(shè)備的搭建與調(diào)試。

1.2.2 顯示電路的選擇

系統(tǒng)選用LCD1602顯示屏實現(xiàn)人機界面交互。LCD1602具有背光LED，使得顯示更加清晰。LCD1602液晶顯示屏可以顯示2行英文字符或者數(shù)字，每一行可顯示16位數(shù)。LCD1602液晶顯示屏采用并行串口控制，數(shù)據(jù)顯示與刷新速度較快。LCD1602顯示數(shù)據(jù)量相對較大，顯示結(jié)果較清晰，但不適用于寒冷環(huán)境。

1.2.3 傳感器的選擇

傾斜角傳感器：該傳感器可進行角度測量、角速度測量和角加速度測量。因設(shè)備置放角度隨機，無法通過角度進行摔倒檢測?？紤]到人體各部分角速度有區(qū)別，加之用戶運動狀態(tài)的不同，如果要對摔倒進行精確的定義和檢測，可能會出現(xiàn)算法過于復(fù)雜、STM32單片機無法承載的情況。再者，市面上常見的傾斜角傳感器通常對于放置方向有限制，會加大用戶操作的困難程度，產(chǎn)生額外的學(xué)習(xí)成本和時間花銷，不符合設(shè)備受眾的需求。

振動傳感器：選用配有SW-18015P振動傳感器的模塊。SW-18015P是一種密封彈簧式、非定向振動感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，其相較于傾斜角模塊的優(yōu)勢在于，可任意角度觸發(fā)。SW-18015P壽命長，正常情況下可開關(guān)達20萬次。彈簧為不銹鋼線或磷銅線材質(zhì)，不易損壞。在多次調(diào)查走訪養(yǎng)老機構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，老年人只有在摔倒等情況下SW-18015P才會振動。同時，還可以通過更換傳感器彈簧的材質(zhì)，以有效調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，也可以通過電路板上的電位器調(diào)整觸發(fā)閾值。

2 系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)

2.1 單片機及其主控

STM32單片機寄存器相對于其他單片機較多，開發(fā)模式分別是寄存器版本開發(fā)、庫函數(shù)版本開發(fā)。本研究同時使用了兩種開發(fā)方式。本系統(tǒng)的主控選用STM32F103C8T6。

2.2 顯示電路

LCD1602液晶顯示屏是比較常用的顯示器件，一共可以顯示兩行信息，尺寸如圖4所示。本系統(tǒng)選擇具有背光的LCD1602顯示數(shù)據(jù)，基于未來使用場景，可以做拆卸處理。

圖4 LCD1602尺寸圖

LCD1602液晶電路原理如圖5所示。

圖5 LCD1602液晶電路

GPS模塊實物與接口電路如圖6所示。LCD1602液晶顯示屏的管腳與單片機采用網(wǎng)絡(luò)標號形式連接，是10 kΩ的可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻實現(xiàn)LCD1602液晶顯示屏的對比度調(diào)節(jié)。LCD1602的D7～D0引腳是并行數(shù)據(jù)接口，與單片機的P0口連接。背光燈接入5 V與GND管腳間，實現(xiàn)上電屏幕的背光屏幕常亮。LCD1602的E引腳連接單片機的P2.5引腳，R/W引腳連接單片機的P2.6引腳，RS連接單片機的P2.7引腳。

圖6 GPS模塊實物與接口電路

LCD1602液晶顯示屏?xí)?shù)據(jù)實現(xiàn)“忙”檢測，當“不忙”時可以進行數(shù)據(jù)的寫入操作，通過引腳間的程序協(xié)調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。LCD1602會實時判斷RS引腳輸入的指令，通過判斷模塊寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)，或者寫入相應(yīng)指令。當LCD1602的E引腳給出高電平時，LCD1602會將得到的信息傳遞給液晶控制系統(tǒng)，實現(xiàn)相應(yīng)的寫操作。

2.3 GPS定位模塊

RTCM標準協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會（MNEA）為海用電子設(shè)備制定的標準格式，現(xiàn)在演變?yōu)镚PS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一使用的RTCM標準協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼傳遞GPS定位信息，幀的格式即為協(xié)議內(nèi)容，通過串口以字節(jié)的形式傳送。

GPS定位信息語句的基本格式如下：

（1）UTC時間格式為時、分、秒、毫秒；

（2）緯度的格式為度、分；

（3）緯度半球為北緯或南緯；

（4）經(jīng)度的格式為度、分；

（5）經(jīng)度半球為東經(jīng)或西經(jīng)；

（6）GPS狀態(tài)中，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位；

（7）正在使用的用于定位的衛(wèi)星數(shù)量為00～12；

（8）HDOP水平精確度因子為0.5～99.9；

（9）海拔高度為-9 999.9～9 999.9 m；

（10）大地水準面高度為-9 999.9～9 999.9 m；

（11）差分時間，即從最近一次接收到差分信號開始的時間，非差分定位，此項為空；

（12）差分參考基站標號為0000～1023，首位0也將傳送，非差分定位，此項為空。

2.4 GSM短信模塊

GSM通信模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵?。SIM800A可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中數(shù)據(jù)、語音傳輸及短消息服務(wù)（Short Message Service）和傳真。

SIM800A是緊湊型、高可靠的無線模塊，采用了SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案與功能強大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求，通過AT命令控制（GSM07.07，07.05和增強AT命令）。圖7所示為SIM900A模塊功能。

圖7 模塊功能

SIM800A模塊串口管腳的工作電平為CMOS電平，單片機串口管腳的工作電平為TTL電平，通過單片機高電平和低電平的邏輯判斷電平可實現(xiàn)SIM800A的管腳連接，因此模塊的串口線可直接與單片機的串口線連接。SIM800A模塊的NETLIGHT管腳連接指示燈來指示工作狀態(tài)。

2.5 摔倒檢測模塊

摔倒檢測有兩種方案：傾斜角計算方式和振動計算方式。傾斜角傳感器可進行角度測量、角速度測量和角加速度測量。振動傳感器模塊的電路邏輯為檢測到超過閾值的振動時，DO腳出現(xiàn)短暫的高電平。同時，可以調(diào)節(jié)藍色電位器，以更改觸發(fā)閾值。

2.6 語音播報模塊

語音模塊采用插卡方式存儲語音，操作簡單。語音模塊支持MP3格式，WAV格式。模塊的SPK1與SPK2引腳可直接連接揚聲器進行語音播放，電路如圖8所示。

圖8 語音模塊電路

2.7 電源的選擇

采用USB接口實現(xiàn)電源供給。USB電壓為5 V，且其文波與干擾較小，電壓輸出比較穩(wěn)定，且輸出質(zhì)量較高。

3 系統(tǒng)的制作與調(diào)試

3.1 硬件研制

采用洞洞板進行器件的安裝、固定、焊接，用萬用表進行檢查，觀測是否存在短路或虛焊。

3.2 編寫模塊化程序

程序設(shè)計相對復(fù)雜，故采用模塊化設(shè)計方法。系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)程序流程

3.3 測試

燒寫系統(tǒng)程序，對系統(tǒng)進行測試。

（1）測試中觀察到LCD可顯示實時信息，通過GPS定位，可準確顯示老人實際位置的經(jīng)度和緯度，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)整體測試圖

（2）通過手機發(fā)送短信“123456j”至手機，設(shè)備會將老人所處位置的經(jīng)緯度信息發(fā)送至手機。

（3）當老人出現(xiàn)摔倒等危險情況時，可進行語音播報請求路人幫忙，同時會給用戶發(fā)送一條報警短信“Warning!Qing jiu yuan!”，如圖11所示。

圖11 手機接收信息界面

4 結(jié) 語

為防止老年人走丟和摔倒，本文研發(fā)了一款基于STM32F103單片機的老年人防走丟與防摔倒警報系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有便攜性好、準確性高、成本低、使用壽命長等特點，適用于不同的生活場景。

（1）以STM32為主體，基本形成閉環(huán)全自動控制，可實現(xiàn)老年人零學(xué)習(xí)成本和低經(jīng)濟成本的精確定位和摔倒檢測。

（2）通過“物聯(lián)網(wǎng)+”的形式，可將信息及時傳遞給老人子女和養(yǎng)老服務(wù)單位，不同于傳統(tǒng)的“用戶為信息主體”，系統(tǒng)以“監(jiān)護人為信息主體”，在提高信息質(zhì)量的同時降低了成本。

（3）使用振動傳感器進行摔倒檢測，準確性高，且能定制閾值、可調(diào)節(jié)，優(yōu)點突出。