基于單片機的浴室跌倒報警系統

作者/李芊宇、孟繁盛、周文龍,內蒙古大學電子信息工程學院自動化系

指導教師：郇矢宇

基于單片機的浴室跌倒報警系統

作者/李芊宇、孟繁盛、周文龍,內蒙古大學電子信息工程學院自動化系

指導教師：郇矢宇

對于老年人而言，身體的平衡能力較差，屬于跌倒致傷的高發人群。而浴室的濕滑地面更容易引發跌倒事件，對老年人健康和安全造成嚴重的威脅。針對浴室跌倒事件，我們設計一種浴室報警系統，通過人體紅外熱釋電傳感器和壓力傳感器檢測人體狀態，如若跌倒則及時通知監護人了解情況并采取相應措施，保證老年人的健康和安全。

單片機；浴室；跌倒報警；通信

隨著社會老齡化進程的加快，跌倒成為威脅老人安全的一大要素，老人意外跌倒監測和遠程緊急救助方面還存在很大的不足。浴室跌倒報警系統通過人體紅外熱釋電傳感器和壓力傳感器的結合使用來檢測老人是否跌倒，若有跌倒事件發生通過短信、電話和蜂鳴器報警，及時通知他人采取相應措施盡可能的減輕事故危害。

1. 項目背景分析

目前人體跌倒檢測方法很多，從信號采集的角度可將人體跌倒檢測分為3種：基于視覺的跌倒檢測，基于聲學的跌倒檢測和基于穿戴式傳感器的跌倒檢測。基于視覺的跌倒檢測是通過攝像頭來獲得人體運動的畫面，通過圖像處理算法提取跌倒的圖像特征判斷是否發生跌倒，準確性高，但這種方法容易暴露個人隱私，且成本較高；基于聲學的跌倒檢測，通過檢測人跌倒時產生的音頻信號作為跌倒的判據，由于浴室內水聲及其他聲音的干擾導致誤判率高；基于穿戴式傳感器的跌倒檢測是通過微型傳感器和控制器做成的微型設備來進行跌倒檢測，通過算法處理進行檢測報警，這種產品在室外易于攜帶但是在浴室內是不方便攜帶的，并且易受到環境因素干擾，檢測精度低。

2. 項目內容

上述三種人體跌倒檢測方法均不適用于浴室，結合當下人體檢測產品的特點，設計一種簡單、合理、實用的浴室跌倒報警系統。在浴室這個特殊空間內進行跌倒監測，若有意外發生及時報警，盡可能降低對老人傷害。具體內容如下：

2.1 人體狀態分析

人體處于站立狀態與跌倒狀態的對比：首先是人體運動狀態的改變，進行淋浴時，人體是不斷運動的，跌倒后人體運動變得細微緩慢。其次是雙腳下的壓力的改變，人在正常行走時雙腳不會同時離地，因此雙腳下各點的壓力情況與跌倒時有很大差異。當人突然跌倒時，雙腳壓力會發生突變，甚至同時失去壓力。因此可以同時監測人體運動狀態和雙腳壓力的變化，雙重檢測標準提高判斷人體跌倒準確性。

2.2 人體紅外感應開關

在浴室門口放置一個基于熱釋電傳感器設計的人體紅外感應開關。若檢測到有人進入浴室，啟動系統，再次檢測到人體時，關閉系統，其余時間進行休眠，降低系統功耗。

2.3 跌倒檢測

通過上面人體狀態分析，浴室跌倒報警系統的雙重跌倒檢測需要雙重檢測模塊，即運動監測上使用人體紅外熱釋電傳感器，壓力監測上使用壓力傳感器，多重監測盡可能的提高檢測精度。

1)人體紅外熱釋電傳感器

人體紅外熱釋電傳感器對紅外線的敏感程度主要表現在傳感器對溫度的變化，進而導致電信號的產生，這種變化對于人體主要表現為對人體的移動或運動敏感，對靜止或移動緩慢的人體不敏感。洗澡時，人體是不斷運動的，當傳感器檢測不到信號時即檢測不到人體或人體保持不動時，會發出一個低電平到控制部分，控制部分對接收的信號進行處理，若判定有人發生跌倒，控制部分啟動報警部分進行報警。通過matlab分析得知當三個以上傳感器同時報警時，準確報警概率接近100%，誤報率幾乎為0。因此，當三個或四個傳感器同時觸發警報時單片機發出報警。

2）壓力傳感器

壓力傳感器將彈性元件產生的形變轉換成標準電信號，輸出到單片機。在拖鞋內前腳掌和腳后跟位置分別安裝壓力傳感器，正常行走與站立時腳底各點壓力與跌倒時有很大差異。當人體跌倒時，雙腳下壓力突變，壓力傳感器輸出電信號到控制部分，若判定發生跌倒事件則啟動報警部分報警。此模塊不僅用于淋浴時的跌倒檢測，還可以應用于其他場合，特別針對剛走出熱釋電傳感器的檢測范圍發生的跌倒，給老人進一步的保障。

采用人體運動狀態監測的人體紅外熱釋電傳感器和壓力突變時監測的壓力傳感器相結合，提高了人體跌倒檢測的精度，減小誤判率。

2.4 控制部分

本文采用STC89C51RC單片機作為系統的控制部分。STC89C51RC單片機有四個八位可編程并行I/O口，可連接多個外部設備，具有抗干擾能力強，低功耗，低輻射等特點，為以后批量生產和產品的更新升級提供便利。

當單片機接收到傳感器傳來的信號后，控制部分的單片機對采集的信號進行處理，通過算法判定跌倒。若判定發生跌倒，控制報警部分啟動報警。同時為了防止誤報引起的不便，系統還可通過手動按鈕暫時打開或關閉報警功能。

2.5 報警部分

報警部分提供兩種報警方式：一是蜂鳴器室內語音報警，二是GSM模塊實現的短信、電話報警。

1）蜂鳴器報警

蜂鳴器是一種一體化的電子訊響器，采用直流電壓供電，通過程序調整出報警音樂以達到示警的目的。當判定發生跌倒事件的時候，單片機經過一段延時后控制蜂鳴器發聲，迅速告警。

2）TC35模塊短信、電話報警

使用TC35模塊進行短信、電話報警，TC35是Siemeils公司推出的新一代無線通信GSM模塊。GSM模塊支持兩種短信模式，第一種是TEXT模式；第二種是PDU模式。PDU模式可以采用unicode編碼發送英文、漢字，但合成PDU碼比較復雜。而TEXT模式只能發送英文，但無須編碼。實際使用中我們使用TEXT模式，利用51單片機的控制輸出，然后在內部軟件編程下進行數值變換處理，經過三次握手協議，通過AT+CMGS指令發送英文短信。

TC35模塊在安裝音頻座后可實現電話報警。通過ATD撥號命令用來設置通話、數據或傳真呼叫，如果沒有撥號音，NO DIALTONE；如果線路忙，BUSY；如果連接無法被建立，NO CARRIER；如果連接成功，OK+撥通的手機號碼，即可撥打電話。當判定跌倒事件發生時，控制器控制GSM模塊發送報警短信到預設手機號上，并撥打報警電話及時通知相關人員采取相應的措施。

圖1 總體設計方案

2.6 預防措施

沒有消息就是最好的消息，在事故發生前做好預防準備永遠好過意外發生，防患于未然，在浴室內提前布置好防滑墊、扶手、座椅等，并在裝修時提前考慮好布局，盡量不選擇裝修有尖銳棱角的浴室設備，或在已裝修過的浴室里對尖銳棱角設備包裹海面之類的柔軟材料，盡量將老人在浴室內發生意外的傷害降到最低。

3. 創新點

本文主要針對浴室內發生跌倒事件的報警。雖然建材、各種輔助器材在浴室輔助防跌倒上有了很大的發展，但是由于浴室地點特殊，洗完澡人的防范心理下降，地面積水使老人更加容易滑倒。浴室地方狹窄沒有物品進行緩沖，導致跌倒時對人體的傷害極大。隨著社會發展，愈來愈多的老人由于種種原因不和兒女居住在一起，或白天兒女上班外出時家中只有老人，使得老人在家發生事故不能及時采取正確有效的措施，造成了嚴重的傷害，甚至危及生命。

這篇文章對于以上特殊事件提供了很好的處理方法。老人在家的生命安全有了一定的保障，一旦獨居老人在浴室跌倒而沒辦法求助，不再只是無助等待別人的發現，無論兒女在外工作或出差也可以在老人出現事故的第一時間得到消息，盡快采取相應的措施來降低對生命的威脅。

4. 總結

作為子女，有義務為他們提供更加安全的生活環境，我們應盡可能的關心父母的健康和安全。若有意外跌倒發生能及時得到消息，盡快采取相應措施，減輕跌倒對老人的傷害。本文設計的浴室跌倒報警系統，結構簡單，成本低廉，檢測精度高，報警實時性強，可靠性好，器件功耗很小，符合市場需求，有很大的發展空間，對實際應用有重要意義。

＊ [1]石欣，熊慶宇，雷璐寧，基于壓力傳感器的跌倒檢測系統研究[J].儀器儀表學報，2010,(03)：715—720.

＊ [2]謝靖，基于頭部運動軌跡和3D視覺的跌倒檢測系統[D].南京大學，2011.

＊ [3]潘方，RS 232串口通信在PC機與單片機通信中的應用[J].現代電子技術，2012,(13)：69—71.

＊ [4]王剛，基于多傳感器的可穿戴跌倒檢測系統的設計與實現[D].導師：何堅，北京工業大學，2015.