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 柳愛文，張利霞，孫力紅，邱燕婷

 （北京聯(lián)合大學(xué)，北京100101）

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的老年人跌倒報(bào)警器攜帶不便，因漏報(bào)、誤報(bào)頻繁造成不必要的恐慌等，提出一種基于智能手機(jī)的老年人跌倒報(bào)警器。對(duì)報(bào)警器的原理、結(jié)構(gòu)組成以及軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了論述，通過實(shí)驗(yàn)，報(bào)警器達(dá)到預(yù)期效果。

 關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；跌倒報(bào)警；加速度計(jì)；GSM

 中圖分類號(hào)：TP273文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 05 - 0041  - 03

0引言

 老年人摔倒現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，老年人跌倒帶來的后果嚴(yán)重。因此，準(zhǔn)確判斷老年人發(fā)生危險(xiǎn)，研究一種老年人跌倒報(bào)警器非常重要。基于上述要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)的老年人跌倒報(bào)警器，內(nèi)置的跌倒檢測裝置可以進(jìn)行跌倒識(shí)別并快速報(bào)警，使用戶及時(shí)得到醫(yī)療救助，降低跌倒對(duì)身體的傷害。跌倒檢測裝置采用加速度傳感器、陀螺儀和GSM裝置。

1  跌倒報(bào)警器研究現(xiàn)狀

 現(xiàn)用的老年人跌倒報(bào)警裝置是通過無線對(duì)講系統(tǒng)研發(fā)的。它外觀精美，自動(dòng)化程度高，有很強(qiáng)的專業(yè)性。但是，設(shè)計(jì)者忽略了一個(gè)問題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)老年人使用現(xiàn)代化產(chǎn)品不熟練，隨著視力、操作能力的下降，使用該設(shè)備有很大困難。另外，老年人跌倒以后，由于受到驚嚇，再進(jìn)行操作按鈕、實(shí)施對(duì)講，就更不現(xiàn)實(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)裝備了較多的傳感器和智能系統(tǒng)，為項(xiàng)目的成功研制提供了研究平臺(tái)。利用智能手機(jī)進(jìn)行跌倒檢測是一個(gè)可行的且有很大推廣潛力的技術(shù)，智能手機(jī)同時(shí)完成兩個(gè)工作：跌倒檢測和救助通信。這樣不僅可以降低系統(tǒng)成本，實(shí)時(shí)監(jiān)測人體活動(dòng)，還可以結(jié)合GPS確定用戶的跌倒位置。為親屬和醫(yī)務(wù)人員迅速找到病人贏取時(shí)間。

 因此，基于智能手機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種裝置小巧，攜帶方便，通過手機(jī)發(fā)出呼救信號(hào)，并能位置定位的智能報(bào)警裝置。

2跌倒報(bào)警器的工作原理

 老年人的跌倒是由于身體失去平衡所造成的。在跌倒的一瞬間，人體受重力的作用。人體跌倒時(shí)發(fā)生向下的加速度，其位姿態(tài)等相關(guān)量都會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化。為了方便敘述人體在發(fā)生跌倒時(shí)的重力、加速度和姿態(tài)的變化，首先對(duì)人體特征進(jìn)行假設(shè)。假設(shè)人體前后方為X軸，左右方為y軸，上下方向?yàn)閆軸。人在運(yùn)動(dòng)過程中，所攜帶的加速度傳感器的坐標(biāo)系隨著人體姿勢的改變而改變，當(dāng)人跌倒時(shí)加速度的值由傳感器直接輸出，此時(shí)提取的加速度的變化過程具有跌倒特征。特征提取是識(shí)別的重要步驟，為了減少運(yùn)算復(fù)雜性，消除不同時(shí)刻加速度輸出值的坐標(biāo)映射關(guān)系，先引入合加速度：

方向上的加速度。采用合加速度的優(yōu)點(diǎn)在于將空間的加速度合為一矢量，在跌倒判斷中就可以忽略跌倒的方向，因此無論跌倒行為發(fā)生時(shí)朝哪個(gè)方向都可以進(jìn)行檢測。

 檢測到老年人跌倒了，需要想法通知到跌倒者的親屬。GSM作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測老年人的生活行動(dòng)，提取老年人跌倒時(shí)的特征向量。無線采集系統(tǒng)以三軸加速度傳感器、角度傳感器為核心，將傳感器測得的信號(hào)通過控制電路調(diào)理，進(jìn)行編碼產(chǎn)生無線信號(hào)發(fā)射到GSM發(fā)射控制器。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 老年人跌倒報(bào)警器系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由單片機(jī)、GSM通信模塊、檢測單元（加速度計(jì)、陀螺儀）、老年人親屬攜帶的手機(jī)及發(fā)射模塊、親屬電話、專家電話等組成，完成對(duì)信號(hào)的檢測、處理和傳輸、報(bào)警等功能。中心數(shù)據(jù)處理模塊由單片機(jī)和GSM通信模塊TC35i組成，對(duì)傳感器檢測到的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，同時(shí)完成現(xiàn)場和遠(yuǎn)程報(bào)警。

3.1  MC9S12G單片機(jī)最小系統(tǒng)

 以MC9S12 G128為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、BDM接口。其中各個(gè)部分的功能如下：(1)時(shí)鐘電路給單片機(jī)提供一個(gè)外接的16 MHz的石英晶振；(2)電源電路主要是給單片機(jī)提供SV電源；(3)復(fù)位電路在電壓達(dá)到正常值時(shí)給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)；(4) BDM接口讓用戶可以通過BDM頭向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。

3.2  GSM通信模塊電路設(shè)計(jì)

 TC35i西門子工業(yè)GSM模塊可以進(jìn)行中文短信息的發(fā)送與接收，并且GSM模塊的接口連接器與SIM卡的讀卡器相連，天線連接器與SIM卡的天線相連接。TC35i的數(shù)據(jù)接口在單片機(jī)的命令下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸，它支持Text和PDU格式的短消息業(yè)務(wù)。本文中可以利用TC35i模塊向跌倒者親屬發(fā)送報(bào)警信息，讓跌倒者親屬根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)處理。

3.3陀螺儀模塊

 陀螺儀一般用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度，本報(bào)警器中共使用了兩個(gè)ENC-03MB傳感器，一個(gè)用于測量老年人日常人體前后站立角度，另一個(gè)用于測量側(cè)向站立角度（防止老年側(cè)向跌倒）。陀螺儀模塊電路如圖2所示。

3.4加速度計(jì)模塊

 加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。考慮信號(hào)之間的相互兼容，采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的加速度傳感器。該系列的加速度計(jì)MMA8452傳感器采用了半導(dǎo)體表面微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小、質(zhì)量輕。由于加速度計(jì)與陀螺儀共同使用，這樣能更好地檢測出老年人的活動(dòng)規(guī)律和各種行進(jìn)動(dòng)作。圖3是兩者結(jié)合的結(jié)構(gòu)圖，圖中0為加法器，+為正端引人口，一為負(fù)端引入口。通過調(diào)整卡爾曼的系數(shù)可以有效地區(qū)別假摔現(xiàn)象，避免無謂的恐慌。

3.5無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

 該模塊選用PSoC 27443芯片，實(shí)現(xiàn)無線通信。圖4為無線遙控器電路圖。無線模塊選擇CYRF7936，端口采用編程排針，方便元器件發(fā)生問題時(shí)及時(shí)更換。

4  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1  主要程序

 系統(tǒng)軟件部分主要包括：GSM通信模塊、無線遙控模塊以及傳感器模塊。由程序流程圖5可知，首先需要進(jìn)行初始化，初始化成功之后，再檢測是否有車主發(fā)送短消息，如果有，則根據(jù)車主的指示執(zhí)行相應(yīng)地操作；如果沒有，則檢測遙控信號(hào)，若有遙控信號(hào)，則根據(jù)指示做進(jìn)一步地處理；如果沒有，則檢測是否有傳感器信號(hào)，若有，則根據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地操作；如果沒有，則返回初始狀態(tài)，進(jìn)行下一次地檢測，如此循環(huán)往復(fù)。主程序流程圖如圖5所示。

4.2短信息的編碼解析

 目前，短消息模式主要有Text模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU( protocol data unit)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持英文短信，也能發(fā)送中文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼方式：

 (1)7- bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符；

 (2)8- bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息；

 (3) UCS2編碼用于發(fā)送16位Unicode字符。

 為了支持中文短信的收發(fā)，本系統(tǒng)采用PDU編碼模式。

4.3接收短信息解碼

 接收短信：SMSC號(hào)碼是+86138XXXXXXX，對(duì)方號(hào)碼是15#########，消息內(nèi)容是“%%”。

 第1步：收到短信通知：+ CMTI:“SM”，&&(&&表示短信息在SIM卡中的存儲(chǔ)位置)；

 第2步：給出讀短信命令：AT +CMGR=##；

 第3步：收到：%%。

5實(shí)驗(yàn)

 為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為40次，其中跌倒20次，干擾20次，樣機(jī)報(bào)警21次，其中真正跌倒報(bào)警19次，干擾報(bào)警2次。通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)說明了樣機(jī)的有效性。盡管樣機(jī)能夠在一定程度說明報(bào)警器的有效性，但還存在一定的欠缺：1)沒有直接開發(fā)智能手機(jī)內(nèi)部的加速度傳感器和陀螺儀；2）由于產(chǎn)品樣本較少，還需要更多實(shí)驗(yàn)才能說明問題。

6結(jié)束語

 本文針對(duì)老年人摔倒后果的嚴(yán)重性，提出一種基于老年人跌倒的報(bào)警器，為搶救贏取時(shí)間。由于結(jié)合了現(xiàn)代智能手機(jī)，報(bào)警器具有裝置小巧、攜帶方便的特點(diǎn)，適用于經(jīng)常單獨(dú)活動(dòng)的老年人。它采用情景記憶方法控制，智能化高，定制性強(qiáng)，有著非常廣泛的應(yīng)用前景和廣闊的市場。