基于STM32單片機(jī)控制的老年人跌倒警報(bào)系統(tǒng)

朱 敏,信藝陽(yáng),趙陽(yáng)光,宋朝暉,李梓涵,孫玉清

(南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院 通信工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 項(xiàng)目研究背景及其意義

1.1 項(xiàng)目研究背景

根據(jù)第七次全國(guó)人口普查公報(bào)顯示,我國(guó)年齡在65歲以上的老年人占中國(guó)總?cè)丝诘?3.5%,預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉,我國(guó)60歲以上人口將高達(dá)4.7億,在總?cè)丝谥姓急雀哌_(dá)30%[1]。伴隨我國(guó)人口老齡化程度日益加深,社會(huì)中老年人口數(shù)目逐漸增長(zhǎng),老年人安全保障問(wèn)題逐漸成為當(dāng)代社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),而在日益增加的社會(huì)壓力下,老年人家屬很難做到時(shí)刻陪同,老人獨(dú)處會(huì)面臨很多的困難,以至于危害到老年人安全,跌倒就是老年人意外受傷的主要原因之一。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外在此方面已經(jīng)有較為成熟、靈活的產(chǎn)品,技術(shù)也更加復(fù)雜先進(jìn),比如說(shuō)智能腰帶產(chǎn)品,采用消歧裝置,利用3D感知裝置,會(huì)對(duì)15%以上的摔倒進(jìn)行防護(hù)。2013年,美國(guó)運(yùn)營(yíng)商AT&T發(fā)布了一款名為Ever There的穿戴式醫(yī)療報(bào)警裝置,該裝置需要貼身佩戴,并通過(guò)陀螺儀、加速度儀等5種傳感器來(lái)完成跌倒監(jiān)測(cè)[2]。而國(guó)內(nèi)市面上流行的手環(huán)多由振動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)傳感器、藍(lán)牙等技術(shù)模塊組成,也能夠較好地滿足使用者的需求。

目前常見(jiàn)的跌倒檢測(cè)方法主要分三大類:一是基于可穿戴式傳感器的方法,二是基于場(chǎng)景傳感器的方法,三是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法[3]。我們系統(tǒng)檢測(cè)跌倒主要采用可穿戴式傳感器的方法。

1.3 項(xiàng)目研究創(chuàng)新點(diǎn)及意義

本項(xiàng)目通過(guò)可穿戴式傳感器檢測(cè)用戶是否跌倒,由于老年人行動(dòng)不便記憶力下降,會(huì)經(jīng)常性遺忘裝置電量,所以系統(tǒng)通過(guò)硬件與軟件結(jié)合的方式降低其功耗,使電池持續(xù)時(shí)間更久,然后選擇更為合適的加速度傳感器和其他模塊降低裝置的價(jià)格。合理分配PCB布局使裝置尺寸縮小,便于老年人佩戴。整套系統(tǒng)高效安全,方便快捷。

產(chǎn)品的目標(biāo)人群是一些需要安全保障且無(wú)法靈活使用電子產(chǎn)品的人群,目前系統(tǒng)的主要功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者是否有跌倒動(dòng)作,然后向其監(jiān)護(hù)人發(fā)送位置信息。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體是由STM32F103RCT6為主控制,再加上蜂鳴器模塊、三軸加速度傳感器、GPS定位模塊和ATK-IDM750C模塊等組成。單片機(jī)通過(guò)傳感器模塊采集數(shù)據(jù),以MPU6050陀螺儀作為加速度傳感器測(cè)量人體傾斜角度,并將所測(cè)量到的俯仰角與閾值進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)陀螺儀模塊測(cè)量的仰角、翻滾角、偏航角大于閾值一段時(shí)間后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定危險(xiǎn)并發(fā)出警報(bào)。產(chǎn)品的GPS模塊和陀螺儀模塊實(shí)時(shí)更新信息,警報(bào)后系統(tǒng)將GPS模塊定位到的用戶位置通過(guò)通信模塊ATK-IDM750C的AT指令以英文短信的形式傳送至子女手機(jī)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了由意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的高性能STM32F429BIT6作為控制器,其中該型號(hào)單片機(jī)使用內(nèi)核為32位的帶有FPU處理器的Cortex-M4微處理器芯片,其優(yōu)點(diǎn)是引腳數(shù)少,功耗低的同時(shí)又具備優(yōu)越的計(jì)算性能和中斷響應(yīng)。它的工作電壓范圍在為1.7～3.6 V,與我們的外部供電模塊相匹配,在調(diào)試模式上也支持SWD和JTAG模式。在本次實(shí)驗(yàn)中主要負(fù)責(zé)與外部模塊連接供電、通過(guò)串行接口處理數(shù)據(jù)、發(fā)送相關(guān)指令完成實(shí)驗(yàn)等功能,它的主頻高達(dá)180 MHz并具有多個(gè)I/O端口和通信端口,跟其他STM系列控制器相比更高效且功能完備,符合本次實(shí)驗(yàn)要求。

2.3 蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)中采用的蜂鳴器為無(wú)源蜂鳴器,其內(nèi)部不需要震蕩源,當(dāng)直流信號(hào)無(wú)法使無(wú)源蜂鳴器鳴叫時(shí),只有給它一定頻率的方波信號(hào)才可讓無(wú)源蜂鳴器的振動(dòng)裝置起振。相對(duì)于需要在供電端上施加額定電壓、依靠?jī)?nèi)部振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的有源蜂鳴器,由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)聲的無(wú)源蜂鳴器價(jià)格更為低廉,聲音頻率可以根據(jù)輸入的方波信號(hào)頻率的改變而發(fā)生改變。在MUP6050陀螺儀的工作過(guò)程中,該無(wú)源蜂鳴器擔(dān)任起必要的警報(bào)功能。我們可以在主程序最開始時(shí)設(shè)置相應(yīng)的語(yǔ)句,運(yùn)行程序?qū)⑵湓O(shè)置為“高電平”狀態(tài),相當(dāng)于暫時(shí)關(guān)閉蜂鳴器[4]。當(dāng)檢測(cè)到MUP6050陀螺儀傾角超過(guò)設(shè)定的閾值后,單片機(jī)便會(huì)將對(duì)應(yīng)的引腳拉低,使得蜂鳴器鳴叫警報(bào)。

2.4 陀螺儀模塊設(shè)計(jì)及跌倒算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用正點(diǎn)原子公司生產(chǎn)的MPU6050三軸加速度傳感器,能夠感應(yīng)用戶身體傾斜狀況并且計(jì)算出用戶傾斜角度的模塊,通過(guò)與閾值相比來(lái)檢測(cè)用戶是否跌倒。該型號(hào)也是InvenSense公司推出的全球首款整合型6軸運(yùn)動(dòng)處理組件,其內(nèi)部包含三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器,并自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP,通過(guò)IIC接口以數(shù)字形式輸出融合演算數(shù)據(jù),供電電壓有3.3 V,易于供電。除此之外MPU6050與其他陀螺儀不同點(diǎn)是它消除了加速器和陀螺儀軸間敏感度,從而減小感測(cè)器的偏移,并內(nèi)帶矯正演算技術(shù),減少用戶另外矯正需求,數(shù)字輸入同步引腳還支持GPS技術(shù),而且這款陀螺儀的封裝尺寸也比較小,便于攜帶。

MPU6050模塊可以進(jìn)行I2C通信,能夠直接輸出X、Y、Z三個(gè)方向的加速度、角度和角速度[5],也能夠提供三維方向的加速度以及各自的角速度,在計(jì)算出使用者的姿態(tài)的同時(shí)幫助設(shè)計(jì)者減少計(jì)算工作。由于裝置佩戴位置不同,陀螺儀計(jì)算精度也略有不同,建議將本裝置佩戴在用戶腰部位置,以人體垂直地面站立方向?yàn)閆軸,眼睛向前平視方向?yàn)閅軸,人體手臂平直打開為X軸,建立三維直角坐標(biāo)系,如圖2所示。

圖2 三維空間圖

(1)

用SVM表示人體的加速度向量幅值,SVM的大小代表人體運(yùn)動(dòng)的激烈程度[6-7]。當(dāng)?shù)箘?dòng)作發(fā)生后,使用者將處于一個(gè)靜止的狀態(tài)下,可以運(yùn)用此時(shí)人體的X、Y、Z軸的角度值來(lái)判斷人體的姿態(tài)[8]。

MPU6050可以通過(guò)自身內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸完成四元數(shù)的運(yùn)算,并且通過(guò)IIC等接口完成橫滾角(roll),俯仰角(pitch)和偏航角(yaw)的運(yùn)算。進(jìn)行測(cè)試時(shí),由于誤差噪聲等外部環(huán)境的影響,MPU6050所得到的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確,因此需要矯正,矯正時(shí)首先減小零點(diǎn)漂移帶來(lái)的影響,后通過(guò)外部加速器對(duì)噪聲進(jìn)行綜合。如圖3所示即是MPU6050的電路原理圖。

圖3 MPU6050電路原理圖

2.5 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System),中文名為“衛(wèi)星授時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”[9]。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果證明,GPS相對(duì)定位精度在50公里以內(nèi)可達(dá)10-6m,100～500公里可達(dá)10-7m,500～1 000 km以內(nèi)可達(dá)10-9m[10],由于GPS戶外定位精準(zhǔn),覆蓋范圍廣,所以我們將GPS與陀螺儀相連接,通過(guò)STM32單片機(jī)去接受來(lái)自GPS采集到的地理位置信息,當(dāng)單片機(jī)接收到來(lái)自陀螺儀模塊的消息時(shí),就可將實(shí)時(shí)位置通過(guò)ATK-IDM750C模塊傳遞給用戶。

本系統(tǒng)使用的是ALIENTEK生產(chǎn)的ATK-S1216F8-BD型號(hào)的高性能GPS,該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn):第一,本模塊核心采用的是SkyTraq公司的S1216F8-BD模組,性能高效,體積小巧攜帶方便;第二,本模塊可通過(guò)串口設(shè)置參數(shù)并保存在FLASH中,方便用戶使用;第三,本模塊與3.3 V和5 V電壓相兼容,而且自帶IPX接口,方便連接其他模塊。

該系統(tǒng)內(nèi)部集成了接收天線模塊、低噪聲放大模塊和電源供給模塊[11]。模塊與單片機(jī)連接時(shí),VCC和GND用于模塊供電,TXD和RXD與單片機(jī)的RXD和TXD相連接。該模塊與單片機(jī)采用串口通信輸出NMEA0183語(yǔ)句,其中NMEA0183協(xié)議利用ASCII碼也稱之為“幀”來(lái)傳遞消息。其原理圖如圖4所示。

圖4 GPS原理圖

2.6 通信模塊工作原理

ATK-IDM750C/IDM751C是一款高性能4G Cat1 DTU產(chǎn)品,支持各運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)連接。具有傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小的特點(diǎn),能迅速解決應(yīng)用場(chǎng)合下的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案[12]。在本次的開發(fā)過(guò)程中,主要使用到的是模塊中發(fā)送英文短信的功能。模塊在使用時(shí)需要確保模塊供電電壓在5～12 V,且在5 V電壓下工作時(shí)需要確保電流達(dá)到3 A才可使模塊正常工作。ATK-IDM750C模塊主要采用AT指令進(jìn)行單片機(jī)與模塊之間的通信。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于AT指令的格式有著嚴(yán)格的要求,且對(duì)于每次應(yīng)答的間隔時(shí)間需要在500 ms內(nèi)完成,只有兩者同時(shí)滿足才可使模塊正常工作。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由MPU6050對(duì)人體傾角進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)檢測(cè)到老人跌倒后警報(bào)便會(huì)響起,同時(shí)單片機(jī)會(huì)執(zhí)行英文短信程序,將此時(shí)老人的位置信息發(fā)送給提前設(shè)定好的聯(lián)系人發(fā)送短信告知其位置,其中N代表北緯,E代表東經(jīng)。

3 系統(tǒng)整體調(diào)試

3.1 系統(tǒng)軟件功能介紹

本次實(shí)驗(yàn)中軟件系統(tǒng)主要由:主函數(shù)、俯仰角采集函數(shù)、位置信息測(cè)量函數(shù)以及信息發(fā)送函數(shù)組成。系統(tǒng)上電后,依次執(zhí)行對(duì)于各種外部硬件的初始化,包括I2C初始化、MPU6050初始化、GPS初始化、ATK-IDM750C初始化以及串口初始化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)軟件I2C的方式讀取由MPU6050所發(fā)送的俯仰角信息,通過(guò)串口2接收GPS所傳輸?shù)膶?shí)時(shí)位置信息,通過(guò)串口3與通信模塊之間建立通信。系統(tǒng)運(yùn)行后便會(huì)自動(dòng)測(cè)量仰角、翻滾角、偏航角、當(dāng)前經(jīng)緯度信息以及當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)所測(cè)量的仰角、翻滾角、偏航角信息均超出所設(shè)置的閾值一段時(shí)間后,系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)向通信模塊發(fā)出AT指令將老人當(dāng)前位置信息發(fā)送至子女手機(jī)中。

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性,我們將各個(gè)模塊連接到一起并邀請(qǐng)四名實(shí)驗(yàn)者(年齡21～23歲,身高170～185 cm)穿戴本裝置進(jìn)行測(cè)試,本次測(cè)試從兩個(gè)方面進(jìn)行,驗(yàn)證使用者在日常生活中穿戴該裝置是否會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象,比如沒(méi)有跌倒卻發(fā)出警報(bào),同時(shí)驗(yàn)證本裝置的準(zhǔn)確性,測(cè)試在用戶跌倒時(shí)系統(tǒng)是否依舊正常運(yùn)行,各項(xiàng)功能是否照常運(yùn)轉(zhuǎn)。

將該裝置裝備在四名實(shí)驗(yàn)者的腰間分別進(jìn)行兩組動(dòng)作實(shí)驗(yàn),第一組包括正常行走、坐下和慢跑,第二組為跌倒,其中正常行走、坐下、慢跑都是“溫和動(dòng)作”實(shí)驗(yàn),每名實(shí)驗(yàn)者正常行走、坐下、慢跑動(dòng)作各實(shí)驗(yàn)20次,故第一組實(shí)驗(yàn)動(dòng)作一共實(shí)驗(yàn)60次。第二組跌倒動(dòng)作也實(shí)驗(yàn)60次,故每組動(dòng)作采集到60個(gè)樣本。

當(dāng)四名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行“正常行走”實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)蜂鳴器并沒(méi)有報(bào)警,陀螺儀檢測(cè)用戶的仰角、翻滾角、偏航角沒(méi)有超過(guò)閾值,GPS與通信模塊正常工作并沒(méi)有向?qū)嶒?yàn)者發(fā)送位置短信。接下來(lái)我們讓四名實(shí)驗(yàn)者逐一進(jìn)行“坐下”實(shí)驗(yàn),二十次實(shí)驗(yàn)內(nèi)蜂鳴器都沒(méi)有警報(bào),陀螺儀檢測(cè)角度同正常行走時(shí)相同,沒(méi)有超過(guò)設(shè)定閾值,GPS和通信系統(tǒng)也沒(méi)有發(fā)送短信,警報(bào)系統(tǒng)正常工作沒(méi)有誤判。考慮到老年人腿腳不便,讓四名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行慢跑動(dòng)作,發(fā)現(xiàn)在第五次和第十一次實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)發(fā)出警報(bào),故判斷在慢跑時(shí)系統(tǒng)誤判率為10%。剩下的十八次實(shí)驗(yàn)同之前的實(shí)驗(yàn)一樣并沒(méi)有發(fā)生跌倒警報(bào),由此可見(jiàn)當(dāng)使用者進(jìn)行一些“溫和”動(dòng)作時(shí)裝置的誤判率為3.33%。

接下來(lái)我們讓實(shí)驗(yàn)者行走一段時(shí)間后跌倒,當(dāng)實(shí)驗(yàn)者跌倒后,發(fā)現(xiàn)蜂鳴器開始鳴叫發(fā)出警報(bào),由此判斷陀螺儀檢測(cè)到人體仰俯角超過(guò)閾值,隨后實(shí)驗(yàn)者手機(jī)接收到來(lái)自通信模塊發(fā)送的GPS定位位置短信。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行六十次,在第三十二次實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到跌倒現(xiàn)象,沒(méi)有發(fā)出警報(bào),漏判一次,誤判率為1.66%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩組動(dòng)作實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)初衷為聚焦老年人、殘障者等無(wú)法進(jìn)行自行自救的人群。隨著通信設(shè)備的普及,大多數(shù)人在面對(duì)突發(fā)狀況時(shí)有能力自救或者求助其他人,然而總有部分人群難以自理。在社會(huì)生存壓力下,一些殘障者、老年人的家人無(wú)法做到時(shí)刻陪同。本產(chǎn)品基于不能自理者在獨(dú)處時(shí)因某些突發(fā)狀況發(fā)生身體平衡狀態(tài)快速變化、無(wú)人能夠提供較為及時(shí)幫助這一情況,設(shè)計(jì)了一款基于GPS通信技術(shù)的警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)快速便捷,能夠時(shí)刻監(jiān)控老人姿態(tài)的變化,并通過(guò)算法判斷是否需要及時(shí)警報(bào)或給佩戴者家屬發(fā)送短信,在一定程度上減少了意外傷害對(duì)佩戴者身體健康帶來(lái)的影響。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該系統(tǒng)準(zhǔn)確性較高,安全性能好,佩戴者出行攜帶較為方便。該系統(tǒng)在后續(xù)應(yīng)用中,將增加更多實(shí)用性能和突發(fā)狀況報(bào)警功能,如血氧檢測(cè)功能,呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在攜帶形式上也會(huì)有更多改進(jìn)以適用于未來(lái)的市場(chǎng)。