基于B/S架構的戶外監護系統設計與實現

摘 要：為了便于對老人、兒童及智障者進行實時監護，給出了一種采用B/S 架構設計的、適用于戶外監護的系統設計方法。該系統由監護終端、通信鏈路、監控中心組成，系統集GPS定位技術、GPRS通信技術、摔倒檢測技術為一體。監護終端通過GPRS將采集到的信息實時傳輸到服務器，以便于客戶端可以隨時通過WWW瀏覽器訪問服務器的方式進行遠程監護，從而達到預防走失和摔倒警報之目的。

關鍵詞：戶外監護；B/S架構；GPS定位；GPRS通信；摔倒檢測

中圖分類號：TN401 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0060-03

0 引 言

據聯合國預測[2]，我國老年人口增長將分為三個階段：第一個階段是平緩加速階段（ 2000—2028年） ，65歲及以上人口將從不足1億增加到并超過2 億，平均每年增加近400萬； 第二個階段是急速增加階段（ 2028—2038 年） ，65歲及以上人口將由2億增加到并超過3億，平均每年增加1 000萬； 第三個階段是基本平穩階段（ 2038—2050） 年，65歲及以上人口將由 3億增加到3.34億，平均每年增加280萬。老年人口激增，社會對應用于老年人的監護系統的需求越來越迫切。摔倒是老年人經常遇到的危險情況，尤其是老人摔倒后未得到及時救治已成為造成老年人意外傷亡的首要原因。另外，老人、智障者以及兒童“走失”的問題時有發生，也成為困擾許多家庭的難題。因此，開發一款實用便捷的戶外監護系統非常有意義。目前市場上存在的戶外監控系統多為針對用戶地理位置的，并沒有摔倒檢測功能，監控平臺多為采用C/S架構。本文設計的系統是基于B/S架構的，同時也具備摔倒檢測功能，因而具有更高的應用價值。

1 系統總體設計方案

系統主要由監護終端和監控中心兩大部分組成。監護終端以MCU（Micro Control Unit）微控制器為中心，在GPS衛星定位模塊、摔倒檢測模塊和GPRS/GSM無線通信模塊的配合下，實現位置信息的采集、摔倒判斷、數據傳輸的功能，同時在外觀上制作成腕表的樣式，以便于攜帶。監控中心采用B/S（Browser/Server）架構設計，這種架構設計統一了客戶端，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。系統的總體框圖如圖1所示。

系統設計的總體目標是實現對老人摔倒后的及時準確警報，對老年人、兒童、智障者的準確定位追蹤。為保證以上總體目標的實現，系統需要達到三個具體目標：第一，摔倒檢測算法的優化，既要使算法的準確性滿足要求，確保足夠低誤報率，又要使算法盡可能簡潔，保證實時性的要求。第二，警報信息的及時準確傳輸，確保無線通信模塊準確地響應MCU微控制器的指令，并把用戶的地理位置信息實時上傳到遠程服務端。第三，用戶地理位置的遠程追蹤，查詢實時化，并保證可以通過訪問網絡數據庫查詢用戶的歷史記錄和進行實時追蹤。

2 系統硬件設計

系統的硬件部分主要由衛星定位模塊、摔倒檢測和無線通信三個模塊組成。衛星定位模塊用于實時監測用戶所處位置和移動速度參數，摔倒檢測模塊用于實時監測加速度參數，無線通信模塊用于發送警報和求救信息，實時上傳用戶所處位置信息到遠程服務端。各模塊在MCU的控制下相互配合，實現系統的各種功能，系統硬件原理框圖如圖2所示。

2.1 MCU微控制器

MCU采用msp430f149單片機，該單片機采用16位的RSIC結構，指令的執行速度快，單條指令執行的時間只需125 ns。同時該單片機具有超低功耗的特點，在待機模式下工作的電流只有1.6 μA，就是在2.2 V、1 MHz的活動模式下工作電流只有280 μA[7]。因此，選用這款單片機作為本系統的MCU非常合適。

2.2 衛星定位模塊

衛星定位模塊采用環天世通科技公司ET-662衛星接收模塊，該模塊具有體積小，敏感度高，定位速度快等特點。它通過UART與MCU通信，實現數據的傳輸，定位數據每秒刷新一次。

2.3 摔倒檢測模塊

摔倒檢測模塊采用亞德諾半導體公司（Analog Device）生產的ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計，分辨率高（13位），測量范圍達±16 g，可通過SPI（3線或4線）或I2C數字接口訪問[8]。ADXL345非常適合移動設備應用，既可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度。在本系統中，ADXL345采用I2C接口與MSP430F149通信。

2.4 無線通信模塊

無線通信模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊，它是一款二頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHz和DCS 1 800 MHz，支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式CS -1、CS-2、CS-3、CS-4。SIM900A采用省電技術設計，所以在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA。此外， SIM900A內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協議，這些在用戶做數據傳輸方面的應用時非常有用。在本系統中，SIM900A采用UART接口與MSP430F149通信。

3 系統軟件設計

戶外監護系統的軟件分為終端監護程序和監控中心兩個部分。終端監護程序主要是實現對用戶信息的采集和傳輸，監控中心軟件主要是完成對數據的存儲，及交互界面的設計。

3.1 終端監護程序

本系統的終端監護程序流程圖如圖3 所示。

圖3中，首先是對MCU進行初始化，之后MCU處于偵聽狀態，一旦檢測到摔倒、查詢、定時中斷，MCU做出相應的響應。其中摔倒的優先級最高，查詢其次，定時中斷的優先級最低。主要完成以下三個任務：第一，接收摔倒檢測數據，通過摔倒檢測算法，判定是否摔倒；第二，接收無線通信模塊的用戶狀態查詢請求，并根據查詢請求的內容回復用戶所處位置、移動速度和行動方向等信息；第三，接收衛星定位模塊的數據幀，提取數據幀中的經緯度坐標值，并通過無線通信模塊將該坐標值發送到網絡數據庫。根據以上三個任務，可將終端監護程序劃分為摔倒判定模塊、衛星定位數據收發模塊、用戶狀態查詢回復模塊。

3.2 監控中心軟件設計

監控中心采用三層 B/S 體系結構，是對 C/S（Client/Server） 結構的一種變化或改進的結構[9]。在這種結構下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現的，少部分事物邏輯在前端實現，主要事物邏輯在服務器端實現，形成所謂的三層架構。

監控中心與客戶端之間的體系架構可以分為表示層、業務邏輯層和數據層。表示層支持矢量圖形數據的顯示和地圖操作，將位置信息經過坐標轉換生成獨立的圖層，疊加在背景電子地圖上；業務邏輯層用于實現客戶端和 Web Server 服務器之間的通信，主要完成 GPS 定位信息處理、GIS 處理和摔倒警報信息處理等功能；數據訪問層主要負責用戶摔倒信息數據庫、GPS信息數據庫、地圖屬性數據庫和日志文檔的存儲管理和維護。數據訪問層和表示層被業務邏輯層分隔，客戶端訪問的是應用程序，由應用程序對數據進行查詢和存取，在提高系統性能的同時簡化了對數據的管理。監控中心與客戶端之間的體系架構圖如圖4所示。

4 結 語

本文提出了一套從底層硬件到上層軟件的系統設計方案，可以滿足對老人、兒童和智障者的日常監護。底層硬件采用功耗低、穩定度高、體積小的器件，符合戶外用品對實用性要求高的特點。上層軟件采用B/S架構設計，具有使用方便、實時性好、可靠性高等諸多優點。總之，該方案必將在很大程度上消除老人、兒童和智障者的日常生活隱患，為老人、兒童和智障者的日常生活保駕護航。

參 考 文 獻

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