基于A(yíng)rduino的智能摔倒監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

蔣亞飛，韋劍琳，龐明義，張書(shū)晗

（渤海大學(xué)，遼寧 錦州 121013）

0 引 言

隨著我國(guó)人口老年化進(jìn)程的加劇，社會(huì)為保障老人群體的健康將承擔(dān)越來(lái)越艱巨的責(zé)任。其中大多數(shù)家庭都面臨著老人多、年輕人少的現(xiàn)狀，難免會(huì)出現(xiàn)對(duì)老人看護(hù)不足導(dǎo)致老人摔倒等現(xiàn)象[1]。老人跌倒造成的傷害不僅體現(xiàn)在身體的即時(shí)受傷，還體現(xiàn)在未得到及時(shí)的幫助而造成的所有后續(xù)惡劣影響。因此一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到跌倒并通知相關(guān)人員救治的智能摔倒監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)很重要。

目前已有部分智慧養(yǎng)老產(chǎn)品具有老人防跌倒功能，如智能防摔氣囊、智能鞋、智能服裝，能預(yù)防跌倒和減輕傷害程度。但部分產(chǎn)品仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，且大部分產(chǎn)品價(jià)格較貴，功能設(shè)置復(fù)雜，難以掌握，穿著舒適性有待提高，應(yīng)用效果有待檢驗(yàn)。目前常見(jiàn)的跌倒檢測(cè)方法包括基于視頻、基于環(huán)境傳感器和基于穿戴式三種[2]。

本文所設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用可穿戴設(shè)備作為載體，在硬件上采用主動(dòng)與被動(dòng)報(bào)警的設(shè)計(jì)?；诩铀俣葌鞲衅鞯乃さ箼z測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的活動(dòng)，更適合應(yīng)用于跌倒檢測(cè)，因此本文采用此方法來(lái)檢測(cè)老年人是否有摔倒的趨勢(shì)。本文采用前軀胸腔作為特征部位，具有很好的規(guī)律性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能摔倒監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)主要由加速度傳感器、通信定位、心率血氧采集、聲光報(bào)警等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用Arduino作為微處理器，應(yīng)用心率采集模塊實(shí)時(shí)獲取老人心率信息，并將數(shù)據(jù)顯示在OLED屏上。同時(shí)在系統(tǒng)上加入近三天的天氣信息和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的個(gè)性化設(shè)計(jì)，幫助老人了解天氣情況。采用加速度傳感器精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)老人是否摔倒，如若摔倒則會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警功能，同時(shí)向家人發(fā)送求救信息。為了能夠及時(shí)救助老人，本系統(tǒng)加入了基于北斗的定位功能，并將定位信息實(shí)時(shí)上傳到OneNET云平臺(tái)；收到求助信息的急救人員和家人可通過(guò)移動(dòng)云APP查看老人位置信息及行動(dòng)軌跡，便于救助；還可 通過(guò)語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互功能，使得老人在遇到特殊情況時(shí)也可以通過(guò)短信求助。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 微處理器模塊

本設(shè)計(jì)中的核心微處理器模塊采用Arduino UNO，它是基于A(yíng)TMEGA328P的Arduino開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板運(yùn)算性能強(qiáng)大、價(jià)格便宜，特別適合用于穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)；支持多種通信，方便進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)外加復(fù)位按鍵控制程序復(fù)位，主要用于調(diào)試設(shè)備。

2.2 電源模塊

本系統(tǒng)采用TPS5430開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，可以從單輸入12 V向5 V和3.3 V轉(zhuǎn)換，擁有多路正負(fù)電壓接口，可以完全滿(mǎn)足各個(gè)模塊的供電要求。由于該模塊內(nèi)部系統(tǒng)接入濾波電容，能提高電源的穩(wěn)定性；而且內(nèi)部含有大容量的電容和大功率的電感，能滿(mǎn)足系統(tǒng)的耗電需求。

2.3 加速度傳感器模塊

本系統(tǒng)摔倒檢測(cè)功能采用JY901實(shí)現(xiàn)，它是一款三軸高精度數(shù)字化的加速度傳感器，能夠獲取X、Y、Z三個(gè)方向上對(duì)應(yīng)的加速度信息。模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓為3.3～5 V，該模塊內(nèi)部集成一個(gè)姿態(tài)解算器，并采用了動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在多種環(huán)境下及時(shí)準(zhǔn)確地輸出當(dāng)前加速度，穩(wěn)定性極高[3]。由于該模塊支持I2C通信，因此在本系統(tǒng)中通過(guò)JY901上的SDA和SCL引腳與Arduino上的對(duì)應(yīng)引腳相連，并加入上拉電阻保證電平信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，如圖2所示。

圖2 JY901模塊

2.4 通信定位模塊

本系統(tǒng)的移動(dòng)通信功能和定位功能采用EC20模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊是一款帶有GPS定位功能和GSM功能的LTE Cat 4無(wú)線(xiàn)通信模塊。如圖3所示，EC20的核心電路由SIM卡接口電路（如圖4所示）、通信接口電路、外圍功能的I/O接口電路及各狀態(tài)信號(hào)接口電路等組成。該模塊支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可將獲取的定位信息通過(guò)HTTP協(xié)議發(fā)送到OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。

圖3 EC20核心電路

圖4 SIM卡接口電路

2.5 語(yǔ)音識(shí)別模塊

本系統(tǒng)的人機(jī)交互功能通過(guò)V03-Trubo語(yǔ)音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)，如圖 5所示。該模塊是一款低成本、低功耗、小體積的離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別模組。通過(guò)該模塊可對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采集并處理，再通過(guò)單片機(jī)的I/O口與模塊相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的“人機(jī)交互”功能。

圖5 V03-Trubo模塊

2.6 聲光報(bào)警模塊

本系統(tǒng)的聲光報(bào)警模塊采用高亮的發(fā)光二極管LED燈和高分貝的有緣蜂鳴器組成。該部分設(shè)計(jì)主要通過(guò)單片機(jī)的I/O口來(lái)控制二極管的閃爍和蜂鳴器的發(fā)聲。主要目的是提醒附近的行人注意周?chē)欣先怂さ埂?/p>

2.7 心率血氧采集及天氣信息顯示模塊

ESP8266作為一款高集成度的WiFi模塊，可以獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，也可以幫助其他主控芯片訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)[4]。ESP8266 配置為客戶(hù)端模式（STA）連接到路由器訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)[5]，因此在實(shí)時(shí)獲取天氣信息時(shí)本系統(tǒng)采用ESP8266 WiFi模塊。

本系統(tǒng)的心率血氧檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)采用MAX30100傳感器模塊，它集成有脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)傳感器芯片、兩個(gè)LED、一個(gè)光電探測(cè)器、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的光學(xué)器件和低噪聲模擬信號(hào)處理器，可以檢測(cè)脈搏血氧及心率信號(hào)。MAX30100傳感器具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，能為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)減少空間。信息顯示模塊采用0.96寸的OLED顯示屏，通過(guò)其I2C接口與ESP8266 WiFi模塊進(jìn)行信息交互，進(jìn)而顯示天氣信息和心率、血氧信息。

3 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)摔倒原理

人體在正常情況下會(huì)產(chǎn)生三個(gè)方向的加速度。將加速度傳感器在X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度信息與人體坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，其中Z軸代表人體垂直方向加速度信息，Y軸代表人體前后方向的加速度信息，X軸代表人體左右方向的加速度信息[6]。由于根據(jù)單軸的加速度信息來(lái)判斷是否摔倒會(huì)造成很多的誤判，因此采用三軸合成加速度|a|來(lái)判斷是否摔倒更具有科學(xué)性[7]。

正常活動(dòng)產(chǎn)生的合成加速度與人體合成加速度|a|存在明顯區(qū)別，二者之間存在最佳的臨界值aT用來(lái)區(qū)分摔倒和正?；顒?dòng)。根據(jù)許繼平等人[7]基于三軸加速度傳感器的老年人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的研究，可得到摔倒閾值aT的臨界值。如圖 6所示為總系統(tǒng)工作流程，從圖中可以看出只有系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到人體達(dá)到摔倒閾值后，才會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警功能和短信求助功能。

圖6 總系統(tǒng)工作流程

3.2 發(fā)送短信、定位信息的程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)上電后，首先對(duì)該模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置短信接收人和短信內(nèi)容，通過(guò)AT指令集設(shè)置一些參數(shù)即查詢(xún)SIM卡狀態(tài)、檢測(cè)當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)信號(hào)、查詢(xún)當(dāng)前狀態(tài)等。將模塊與微處理器進(jìn)行串口通信，當(dāng)MUC判定摔倒后或者M(jìn)UC檢測(cè)到I/O上來(lái)自語(yǔ)音模塊的電平信號(hào)后，程序?qū)⑦M(jìn)入中斷并執(zhí)行發(fā)送短信程序，短信發(fā)送成功后返回主程序，至此實(shí)現(xiàn)短信功能。

程序初始化完成后，通過(guò)發(fā)送AT指令獲取到GPS數(shù)據(jù)；將獲取到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，即獲取UTC時(shí)間、經(jīng)緯度信息；接著查詢(xún)定位信息是否有效，如果有效則按照相關(guān)傳輸協(xié)議準(zhǔn)備JSON串和HTTP報(bào)頭；然后通過(guò)程序執(zhí)行AT指令訪(fǎng)問(wèn)OneNET平臺(tái)服務(wù)器；如果訪(fǎng)問(wèn)成功便將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNET服務(wù)器[8]；為了查看定位信息是否上傳成功，在硬件設(shè)計(jì)中加了一個(gè)指示燈，通過(guò)程序控制，數(shù)據(jù)每發(fā)送一次，指示燈亮一次即實(shí)現(xiàn)指示燈的電平翻轉(zhuǎn)[8]。如圖 7所示為通信、定位程序流程。

圖7 通信、定位程序設(shè)計(jì)流程

3.3 天氣、心率血氧顯示程序設(shè)計(jì)

在ESP8266上電后，首先對(duì)模塊進(jìn)行初始化，將ESP8266設(shè)置為STA模式，即設(shè)置要接入的WiFi名稱(chēng)、密碼、服務(wù)器地址及相關(guān)的秘鑰[9]。在成功配網(wǎng)后通過(guò)HTTP協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)心知天氣服務(wù)器，獲取天氣信息API，經(jīng)ESP8266剖析數(shù)據(jù)并發(fā)送到顯示器。將ESP8266按照I2C協(xié)議與心率血氧傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于要同時(shí)顯示天氣信息和心率血氧信息，因此在程序設(shè)計(jì)中可將讀取到的數(shù)據(jù)短暫存入到外部FLASH中[10]。如圖8所示為天氣、心率血氧程序流程。

圖8 天氣、心率血氧程序設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)調(diào)試、結(jié)果分析

為測(cè)試系統(tǒng)性能特將該系統(tǒng)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，將心率測(cè)量傳感器做成手表式，定位、通信模塊和其他模塊做成腕帶式，并在一定情況下進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，其測(cè)試部分如下：GPS定位誤差、檢測(cè)人體摔倒的準(zhǔn)確率、天氣信息及心率血氧的采集情況、語(yǔ)音交互功能及在摔倒后GSM模塊遠(yuǎn)程求助信號(hào)的實(shí)用性和聲光報(bào)警功能。

在OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的控制后臺(tái)可以看到Location數(shù)據(jù)流，通過(guò)可視化圖形的編輯將Location數(shù)據(jù)流上傳到高德地圖，這樣可以從后臺(tái)查看定位地圖信息，手機(jī)端也可下載OneNET移動(dòng)云APP，查看實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)調(diào)試，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷出摔倒動(dòng)作，并可在移動(dòng)云APP中實(shí)時(shí)獲取老人的定位信息，如圖9所示。通過(guò)實(shí)際勘測(cè)結(jié)果可知GPS定位距離誤差范圍在5 m以?xún)?nèi)。從圖10中可準(zhǔn)確地看到當(dāng)前時(shí)間、日期、三天天氣情況以及心率血氧的信息?？紤]到老人身體原因，通過(guò)加速度數(shù)值判斷老人摔倒情況，模擬老人行走、上下樓、蹲下、彎腰、摔倒等多種行為。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)存在一定的誤報(bào)情況，但誤差率低于2%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1所列。在判斷摔倒以后，系統(tǒng)可正常進(jìn)行聲光報(bào)警，并在30 s以?xún)?nèi)通過(guò)GSM遠(yuǎn)程求助功能向相關(guān)人員進(jìn)行求助。語(yǔ)音交互功能經(jīng)調(diào)試后，即使沒(méi)有監(jiān)測(cè)到老人摔倒也可在給予一定語(yǔ)音指令后進(jìn)行短信通信功能。

圖9 定位信息

圖10 實(shí)時(shí)天氣信息

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

目前社會(huì)逐漸老齡化，需要更多地關(guān)心關(guān)愛(ài)老年人的健康。老人意外摔倒是造成老年人身體傷害的一個(gè)常見(jiàn)原因，如果能在摔倒后第一時(shí)間救治將會(huì)減輕老年人受到的傷害。因此本文開(kāi)發(fā)出了一套老年人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)集成多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)摔倒檢測(cè)功能、聲光報(bào)警功能、心率血氧檢測(cè)功能、短信求助功能、定位功能及簡(jiǎn)單的人機(jī)交互功能，還附加了實(shí)時(shí)天氣信息獲取的個(gè)性化設(shè)計(jì)。用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)端APP獲取實(shí)時(shí)的地圖定位，為救護(hù)提供便利，能夠有效地保證老人在摔倒后及時(shí)得到救助，避免老人因救助不及時(shí)而造成的二次傷害。該系統(tǒng)極大地提高了救助人員的救助效率，并且可以為社會(huì)及家人減輕負(fù)擔(dān)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。