老人跌倒報警系統設計

林木泉

摘要：該設計主要由三軸加速度傳感器、主控芯片，GSM模塊板和Lora無線模塊組成，通過傳感器傳回的數據，主控芯片執行跌倒檢測算法，當算法判定老人跌倒后實現撥打指定報警電話，并且無線模塊發送報警指令到接收端，實現2種互補報警方式。經實驗驗證，該設計對常見跌倒情況的檢測準確率達到93%以上，能夠滿足實際應用需求。

關鍵詞： 三軸加速度傳感器； Lora； 跌倒檢測算法

中圖分類號： TN98

文獻標志碼：B

文章編號：2095-2163（2017）05-0031-05

Abstract：This design is mainly composed of triaxial accelerometer， the main control chip， the GSM module of plate and Lora wireless module. Master control chip operates the fall detection algorithm on the data transferred by the sensor. Once the algorithm finds that the old man falls， the master control chip calls specified emergency number， and the wireless module sends the alarm instruction to the receiver， which realizes two complementary alarm at the same time. The results of the experiment indicates that this design could achieve accuracy rate of 93% for detecting common falling situations at least， hence could be applied in practice.

Keywords： triaxial accelerometer； Lora； falling detection algorithm

收稿日期： 2017-09-06

0引言

目前，我國人口老齡化發展速度，空巢老人也越來越多，老年人的身心健康亟待關注。老年人因為身體機能老化導致動作遲緩、平衡感差，或者因為患有疾病，容易跌倒。如果跌倒后不能起身而又無人發現，貽誤了救治時機，往往造成更嚴重后果。相關研究表明，老人跌倒造成的傷亡事故更多原因是因為救治不及時[1]。跌倒造成的影響不僅僅是子女家庭在治療資金上的負擔，也給老年人帶來心理壓力和陰影[2]。因此實現對老年人身體健康的實時監測有重大意義和研究價值。為解決老年人跌倒后能否及時呼救的問題，本設計提出了一種基于跌倒運動學原理，通過傳感器提取跌倒特征量數據，使用單片機執行跌倒檢測算法的報警系統。

本報警系統硬件可分為2部分，即穿戴端和接收端，穿戴端也是發送端。接收端分為手機接收端和Lora無線接收端。

穿戴端（發送端）硬件組成包括傳感器模塊、GSM模塊、無線發送模塊、電源模塊和聲音報警模塊以及按鍵模塊。這里，針對主要模塊給出如下闡釋：

1）傳感器模塊。采用ADXL345三軸加速度傳感器，與主控芯片通過I2C方式通信，ADXL345輸出分辨率是13位，加速度測量范圍±16 g[3]，參數滿足檢測需求。

2）主控芯片。使用STC15W408AS，工作電壓2.4～5.5 V，8K Flash，10位分辨率的ADC。

3）GSM模塊。使用安信可A6 Mini GPRS/GSM模塊，待機平均電流 3 mA 以下，與主控芯片通信采用串口方式。

4）無線模塊。使用摩侖科技有限公司開發的LoRa（Long Range）模塊，型號為L7，工作頻段433 MHz和477 MHz可選。LoRa通信具有功耗低，抗干擾、距離遠等特點[4]。

傳感器、GSM模塊和無線模塊與主控芯片電路引腳連接如圖2所示。

TP4056芯片最大可提供1 A充電電流，充電電流由RPROG決定，RPROG=〖SX（〗1 200〖〗IBAT〖SX）〗，誤差±10%，本設計中RPROG=3.3 kΩ。

電壓檢測電路的作用是在低電量時進行提醒。因為不需要非常精確測量電壓，所以使用2個10 K電阻串聯分壓，落在R9上的電壓接入STC15W408AS的P0.0口做ADC測量。測得電壓Vcur與實際電壓Vrel滿足Vrel≈2*Vcur。電壓低于3.5 V時，蜂鳴器會進行長滴聲提示。

一般鋰電池提供給電路系統的電壓為2.5-4.2 V，本次設計為增強電路系統穩定性，使用經過低壓差LDO穩壓輸出的3.3 V供電，由于與3.7 V標稱電壓壓差只有0.4 V，普通LDO芯片壓差達不到設計要求，因而選用了超低壓差LDO，由TI公司生產的TPS7333。電壓檢測電路與穩壓電路如圖4所示。

6）聲音報警模塊與按鍵模塊。報警系統穿戴端與接收端都使用SFM-27型高分貝蜂鳴器，該蜂鳴器在直流電壓3～24 V下均可正常工作。為保證系統長期穩定運行，使用軟件消抖方式判斷按鍵是否按下，核心電路的具體展現則如圖5所示。

接收端硬件組成包括：無線接收模塊、電源模塊、主控芯片、聲音報警模塊，某電路實現如圖6所示。

跌倒是指突發、不自主的、非故意的體位改變，倒在地上或更低的平面上[6]。跌倒檢測目的是從日常生活活動（activities of daily living，ADL）中區別出跌倒動作。通過三軸加速度傳感器來幫助建立跌倒模型。endprint

整個跌倒過程持續時間一般不超過3 s，在此期間，3個軸的加速度均發生較大變化，通過與ADL的加速度值進行比較，就可以區別出是否發生跌倒事件。

將穿戴端佩戴在腰間，因為腰部是人體重心，相比于其他部位，腰部的姿態變化與跌倒相關度更高。將ADXL345的3個軸分別與抽象的人體三維坐標系建立起聯系，如圖7所示。

在坐標系上，假設腰部設為原點O，以圖片中人站立的狀態作為參考，X軸代表ADXL345左右方向加速度的變化，Y軸代表前后方向加速度的變化，Z軸代表上下方向加速度的變化[7]。

4結束語

本設計將三軸加速度傳感器與輔助作用的傾斜傳感器結合后通過GSM模塊與Lora無線模塊實現2種報警方式：遠程報警和近距離報警。近距離報警是在Lora模塊通信距離范圍內，實現接收端的報警提示，在實際應用中可將無線接收端置于家中，作為輔助報警手段，增加了老人跌倒后救助的成功率。本文設計的算法簡潔有效，準確率高，具有較強的實用性。

參考文獻：

邵宇吉，吳其林，朱治鵬，等. 一種新型腰帶計步器的設計研究[J]. 電子測試，2015 （19）：111-112.

[2] 高英梅. 老年人跌倒的原因分析及護理干預[J]. 中國醫藥指南， 2013，11（27）：263-264.

[3] 王剛. 基于Arduino Uno平臺的跌倒檢測報警系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2015（7）：49-52.

[4] 王剛，溫向明，路兆銘，等. 新興物聯網技術——LoRa[J]. 信息通信技術，2017（1）：55-59，72.

[5] 劉導. 基于STM32單片機的動力鋰電池管理系統[D]. 保定：河北大學， 2015.

[6] 劉艷，劉文文，王蓮蓮. 老年人跌倒的危險因素及護理干預[J]. 現代醫藥衛生，2015，31（5）：688-690.

[7] 薛源. 基于多傳感器的老人跌倒檢測系統的研究與應用[D]. 武漢：武漢理工大學，2011.

[8] 李飛龍. 基于三軸加速度傳感器跌倒檢測方法的研究[D]. 成都：電子科技大學， 2015.

[9] 孫子文， 孫曉雯. 基于加速度傳感器的人體跌倒檢測方法[J]. 計算機工程與科學， 2017， 39（2）：330-335.

[10]曹玉珍， 蔡偉超， 程旸. 基于MEMS加速度傳感器的人體姿態檢測技術[J]. 納米技術與精密工程， 2010， 8（1）：37-41.endprint