基于GSM通信技術(shù)的老人跌倒報警系統(tǒng)*

陳翰林，蘇亞偉，石春花

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000)

0 引言

我國人口老齡化態(tài)勢日趨嚴重[1]，60周歲及以上老年人口26402萬人，占總?cè)丝诘?8.70%。研究表明，跌倒是老年人主要的意外事故[2]，且獨居在家的老人常無法有效應(yīng)對突發(fā)事件，缺乏自主求救、準確描述自身位置的能力，因此一款能夠準確判斷老人是否跌倒并自動向外界發(fā)出報警信號的裝置是很必要的，能夠有效解決問題，為老人爭取寶貴的救援時間。

目前市場上具有報警功能的相關(guān)產(chǎn)品多為運動手環(huán)類型，價格昂貴、操作復(fù)雜。本文設(shè)計了一款基于STM32單片機[3]的可穿戴設(shè)備，整體小巧便捷，經(jīng)濟實用，操作簡單。該可穿戴設(shè)備外設(shè)有觸摸開關(guān)、系列按鍵、OLED屏幕；內(nèi)置有心率檢測、跌倒檢測、GPS定位模塊、GSM通信模塊，可準確判斷老人是否處于心率異常、跌倒等異常狀態(tài)，采集老人所處位置的經(jīng)緯度參數(shù)并通過短信向綁定手機傳輸求救信號，便于急救人員及時開展救援行動，可最大化降低跌倒帶來的傷害。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)包括測量裝置和穿戴部件兩部分。如圖1所示，測量裝置主要由電源、數(shù)據(jù)采集處理模塊、操作模塊、報警通信模塊四部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1) 數(shù)據(jù)采集處理模塊包含STM32微處理器，GPS定位，三軸加速度傳感器和心率采集。STM32單片機作為核心控制器，主要用于采集和處理心率、合加速度、經(jīng)緯度三種信號，判斷老人是否存在心率異常、跌倒等異常狀態(tài)。

2) 操作模塊包含1個觸摸開關(guān)，4個按鍵和1個OLED屏。如圖2所示，觸摸開關(guān)可直接關(guān)閉系統(tǒng)電源，實現(xiàn)報警預(yù)處理模式的快速解除。按鍵從左至右依次為1，2，3，4號，按鍵1用于切換顯示界面；按鍵2用于確定當前界面，按鍵3、4為加減鍵。OLED屏用于顯示按鍵輸入數(shù)字、心率、經(jīng)緯度等基本信息。

3) 報警通信模塊包含蜂鳴器和GSM通信模塊。當系統(tǒng)判斷老人處于跌倒等異常狀態(tài)時，將進入為期15 s的報警預(yù)處理模式，此時蜂鳴器發(fā)出警鳴，引起外界人群的注意，使老人能夠得到援助。若在跌倒發(fā)生的15 s后，老人仍未通過觸摸開關(guān)解除報警預(yù)處理模式，說明老人傷勢較重，無法自救，此時通過SIM800C短信模塊向綁定手機號發(fā)送求救信息。

圖2 測量裝置外觀

2 軟件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計法，將主程序、跌倒檢測程序、心率檢測程序、GPS定位程序、OLED顯示程序、報警通信程序等主要模塊分開包裝。其中，主程序包括對各模塊串口初始化的定義、按鍵的執(zhí)行內(nèi)容、跌倒和心率異常的判斷等主要內(nèi)容，在系統(tǒng)程序中起到整體調(diào)動的作用。其他模塊的程序主要由復(fù)位、串口、算法三個部分組成。為了提高心率和跌倒檢測模塊的準確性，相應(yīng)算法內(nèi)設(shè)置有自動校驗程序，總體流程如圖3。

圖3 程序總體流程圖

2.2 主要算法

1) 跌到動作的檢測：三軸加速度傳感器可測出在動態(tài)坐標系下X、Y、Z三個方向的加速度分量，并由加速度分量計算出運動坐標系與自然坐標系之間的夾角。其中，Z軸夾角公式如下所示：

(1)

當任意夾角超過30°時，成年人發(fā)生跌倒的概率接近100%[4]?？紤]到老年人身體機能退化，平衡能力弱，故將跌倒夾角上限調(diào)整至20°。

2) 心率的測量與判斷：心率傳感器采集的心率信號是一個模擬信號，無法直接計數(shù)，需要通過單片機進行數(shù)字化處理?？紤]到單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換精度與其時鐘模塊相關(guān)，為保證測量精度，通常將5～7個時鐘脈沖所占時間和作為心率脈沖的平均周期[5]，可得如下心率計算公式：

(2)

其中：HR為心率；N為平均周期內(nèi)的波峰數(shù)；S為平均周期；60即60 s。已知心率依據(jù)運動狀態(tài)可分為靜息心率和有氧心率兩種情況。正常成年人的靜息心率為60～80 次/min，若心率少于60 次/min，則稱為“心動過緩”；若心率超過100 次/min，則稱“心動過速”，兩者均為心率異常狀態(tài)?？紤]到年齡因素對心率影響較大，結(jié)合臨床數(shù)據(jù)，最終將50 次/min設(shè)為正常心率的下限閾值[5]，低于此值即可判定為“心率異常”。

2.3 主要模塊程序設(shè)計

1) 跌倒檢測模塊程序設(shè)計

在adxl345傳感器初始化的過程中，為保證輸出數(shù)據(jù)的精確度，應(yīng)對數(shù)據(jù)進行偏移校驗。先將模塊水平放置，此時X，Y軸加速度為0 g，Z軸加速度為1 g。然后初始化IIC總線，并將分辨率設(shè)置為全分辨率模式，將傳輸速率設(shè)置為100 Hz。編譯結(jié)構(gòu)體ADXL345_WR_Reg(u8 addr,u8 val)，初始化寄存器，用于存放數(shù)據(jù)和地址。在測得三軸各十組樣本數(shù)據(jù)后，取其平均值并減去對應(yīng)的偏移值就可以得到三軸的校準值。

由于1 g對應(yīng)的最小有效位為3.9 mg/LSB(即1 g=256 LSB)，而在偏移寄存器中，比例因子的固定值為15.6 mg/LSB，且負值置于寄存器需要消除正偏移，故偏移比例系數(shù)為-(3.9÷15.6)=-0.25。以Z軸數(shù)據(jù)為例，在全分辨率模式下，若平均值為20 LSB，則校驗值為-(20-256)×0.25=59 LSB，進而可得校準值的補碼，并寫入對應(yīng)的偏移寄存器中。這樣，每次從傳感器讀取的數(shù)值就自動加上了這個設(shè)置的偏移。為了提高數(shù)據(jù)的精確度，減小誤差數(shù)據(jù)帶來的影響，可以先求出單位時間內(nèi)的計數(shù)次數(shù)times，根據(jù)times求平均值。通過上述程序，adxl345已能夠采集相對準確的數(shù)據(jù)，可直接利用math.h函數(shù)庫中atan函數(shù)，求出角度值。若在某時刻內(nèi)，前后角度之差的絕對值超過20°，即可判定老人發(fā)生摔倒，報警標志位fall_flag將自動置1，啟動GSM模塊，發(fā)出報警信號。若標志位沒有置位，則清空數(shù)據(jù)，為下一測量周期提供存儲空間。其運行流程圖如圖4所示。

圖4 跌倒檢測模塊程序流程圖

3 系統(tǒng)測評

3.1 跌倒動作判斷的準確性測評

為了驗證系統(tǒng)能夠達到精確判斷受試者處于異常狀態(tài)的要求，在不影響實驗結(jié)果的前提下，出于安全考慮，由五名團隊成員代替老人進行測試。每人在靜息、運動兩種狀態(tài)下完成測試，其中運動狀態(tài)是指劇烈運動后的狀態(tài)，主要用于判斷心率異常測試的準確性。每組測試內(nèi)容包括步行、跌倒、彎腰三項動作，每項動作重復(fù)兩次，同種狀態(tài)下每人完成6次實驗，共計進行60次實驗。實驗結(jié)果如下表所示。

表1 靜息狀態(tài)下的實驗結(jié)果

表2 運動狀態(tài)下的實驗結(jié)果

測試動作中步行、彎腰均為干擾項，系統(tǒng)應(yīng)不予報警。排除心率異常報警次數(shù)后(表中用→表示)，對實驗結(jié)果進行分析，可知系統(tǒng)在靜息狀態(tài)下，正確率為93.3%；在運動狀態(tài)下，正確率為80%。其中干擾共計40次，報警6次，正確率為85%；跌倒共計20次，報警19次，正確率為95%。綜合考量下，認為系統(tǒng)能夠滿足準確測量的要求。

3.2 心率異常判斷準確性測評

除去心率為0的異常數(shù)據(jù)，在靜息狀態(tài)下共采集到有效心率數(shù)據(jù)29份，在運動狀態(tài)下共采集到有效心率數(shù)據(jù)27份。將實驗結(jié)果與對照數(shù)據(jù)繪制成心率折線圖，如圖5所示。

圖5 靜息、運動狀態(tài)下心率實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：無論是靜息狀態(tài)還是運動狀態(tài)，實驗心率與對照心率折線的重合度都比較高，說明系統(tǒng)心率檢測的準確率達到要求。

4 結(jié)束語

4.1 討論與展望

實驗結(jié)果中存在靜息、運動兩種狀態(tài)下準確率相差較大的問題，推測原因是參與測試的人員年齡、體質(zhì)與老年人之間存在較大差異，跌倒角度閾值設(shè)置較小所致。在后續(xù)工作中，可根據(jù)受試者情況，適當調(diào)整程序中所設(shè)參數(shù)，提升準確率。為了能更好地協(xié)助醫(yī)院展開救援工作，項目預(yù)設(shè)中曾提出：以老人事發(fā)地點為中心，通過高德地圖等APP自動篩選出就近醫(yī)院并向該醫(yī)院后臺發(fā)送求救短信的方案，可作為后續(xù)研究的方向和展望。

4.2 結(jié)論

本文針對老年人意外跌倒、心率異常等突發(fā)狀況，設(shè)計了一種基于GSM通信技術(shù)的異常狀態(tài)檢測報警系統(tǒng)，一定程度上解決了老人遭遇意外后不能自主求救的問題，為老人的身心安全提供了保障。經(jīng)實驗測試，證明該系統(tǒng)具備判斷準確率高、報警及時、操作簡易、小巧便捷等優(yōu)點。該系統(tǒng)經(jīng)后續(xù)組裝后，可穿戴于老人腰腹、手臂等多個部位，適用于日?；顒恿枯^大的獨居老人，有著廣泛的應(yīng)用前景和市場。