基于人身安全防護的智能手環的研究

吳玉倉，劉軍峰，王繼紅

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450000）

引言

現代社會，隨著人們物質層面的極大豐富，人們開始追求健康的身體以及安全的生活環境，二者缺一不可，但是即使我國的生活環境已經極為安全，犯罪率依然是高居不下，特別是個人出行，危險率更是大大增高，尤其在近幾年暑假期間曝光的女大學生失蹤案件更是讓人觸目驚心。另外，社會中孩子失蹤苦苦搜尋難得線索、老人摔倒無人救助直至死亡的案件屢見不鮮，為此，我們利用現有的成熟普遍的技術，設計出一款用戶定位為孩子、老人、女性等弱勢群體的人身防護安全智能手環。智能手環在當代社會中已經是極為普遍，而且手環的技術發展也是極為先進，但是現在的智能手環主要專注的方面在于日常的運動、睡眠以及人體生理方面數據的采集和分析，而市面上專注于人身安全的智能手環的產品可謂是少之又少。文中設計的智能手環具備在侵害發生時能夠有效阻止傷害擴大、幫助受害者爭取逃脫機會、及時發出求助信號并提供精確的地理位置信息等重要救援線索的功能。

1　研究的目的和意義

市面上為數不多的便攜式報警設備很少是基于穿戴式的，因此此類設備面臨的一大問題即是如何確保不被當事人遺忘，在遇到危險地情況下，報警設備能夠在受害者旁邊并能夠及時報警。

其次，當前的大部分的便攜式報警設備均為主動報警，但是若受害人失去主動報警能力，則此類報警設備則失去了最終報警的功能。

最后，一些基于傳感器的便攜式報警設備由于方式單一，不免會出現誤報警的狀況，會給警務人員造成一些不必要的困擾。

因此，一個便攜式可穿戴且具備主動報警和被動報警雙重功能的報警設備在此類情況下顯得尤為重要，能夠為個人的人身安全提供一個有力的保障。

2　系統方案設計

2.1　功能模塊設計

此設計主要是由智能手環的主機模塊、信息采集模塊、定位模塊、人工操縱模塊，LCD顯示模塊和防衛模塊組成。

主機模塊主要對采集到的信息進行分析整理、篩選以及對異常信息的匹配工作，同時在發現異常情況時對信息進行確認，進行雙重確認并報警，同時向定位模塊發出請求信號并將定位模塊回執的位置信息及使用者的求救信號發送至預設聯系人。

信息采集模塊采用速度傳感器和陀螺儀兩個方向同時對信息進行采集，確保信息的正確性，避免因模塊失靈發生誤報警或者不報警的情況，同時信息采集模塊實時將使用者的身體狀態信息發送至主機模塊，使主機模塊對使用者的身體狀態進行實時分析，保證報警信息的及時性。

定位模塊主要采用GPS定位功能模塊，在主機模塊確認報警時將使用者當前所處的經緯度信息以及位置信息反饋給主機模塊，以便主機模塊報警的準確性，同時定位模塊記錄使用者的行進軌跡并發送至主機模塊進行保存，便于使用者更快的得到救援。

人工操縱模塊可直接向主機發出信號并報警，同時人工操縱模塊可以調試手環進入安全模式，在安全模式下，手環不會發出報警，但是每隔15分鐘，手環會詢問使用者是否退出安全模式，防止使用者遺忘關閉安全模式而發生遺漏報警的情況。

OLED顯示模塊主要用來顯示人機交互情況。

防衛模塊主要由爆閃燈和蜂鳴器構成，在人工操縱模塊的操縱下，發出防衛和提醒信息。

信息采集模塊、定位模塊和主機模塊主要由藍牙 4.0通信技術進行信息的傳遞。

模塊功能如圖1所示：

圖1　

2.2　主要功能設計

2.2.1防止傷害擴大

手環硬件表面上安裝有可爆閃的LED燈，比如在夜晚，使用者遭到不法分子的危害時，通過人工操縱模塊中的LED爆閃燈開關開啟爆閃燈，使其對準施害者眼睛，可使施害者眼睛短時間失明，為其爭取到逃脫時間。

同時，在爆閃燈啟動時借助蜂鳴器發出刺耳的報警音，引起周圍人的注意，以此震懾施害者，在逃脫的時候可以選擇關閉蜂鳴器，避免逃脫后位置暴露，使施害者繼續追蹤。

2.2.2求助報警

在非安全模式下，當主機模塊檢測到信息采集模塊發送的信息異常或者人工操縱模塊直接發出報警信息時，主機模塊通過藍牙想手機發出報警所包含的求助信息、位置信息等。同時位置發生變化時，主機模塊記錄使用者位置移動軌跡信息，并通過藍牙與手機連接每隔2分鐘向預設聯系人發送一次位置信息，以便更快和更準確的獲得幫助。

同時，在主機模塊中設置3個預設聯系人，主機模塊與每個聯系人之間設有互動，若第一聯系人在2分鐘內沒有對求助信息進行回復，主機模塊則依次向其他聯系人發送求助信息，若預設聯系人均不回復，主機模塊則通過報警短信向警察進行報警。

2.2.3防誤觸功能

防誤觸功能主要針對人工操縱報警模塊，防止在使用者不經意的情況下發生假報警的情況。方法是在手環的硬件設計上放置兩個報警開關只有兩個報警開關同時按下，主機才會響應，啟動報警功能。

3　系統硬件設計

主控芯片：采用了CC2541主控芯片，該芯片可編程的以藍牙4.0為通信的增強型超低功耗的芯片，應用在手環中可大大提高手環的續航能力；同時CC2541芯片具備了較高的傳輸速率和出色的接受靈敏度，為手環求助報警的實時性提供了可靠的硬件支持。

電源模塊：用 AMS117-3.3穩壓芯片輸出 3.3V電壓為整個系統供電，AMS1117-3.3的輸入電壓為4.75V～15V，選用5V可充電聚合物鋰電池（550m A）做輸入。

防衛模塊：貼片蜂鳴器電路負責警報，采用貼片有效降低了手環的體積；大功率1W 手機貼片LED，采用高頻閃電路對LED的頻閃和亮度進行有效的控制，在光線較暗的情況下正對人眼使用可以使人短時間致盲。

顯示模塊：主要采用0.5吋OLED液晶顯示屏顯示藍牙連接情況，電量和模式情況。

按鍵模塊：手環側安裝貼片按鍵模塊，主要用來進行報警、防衛和模式轉換。

其他模塊：模擬電路 ADC檢測模塊；電量檢測模塊；程序下載模塊等。

4　軟件設計

在手環與手機初次連接或者斷開連接后的再次連接時，主機模塊會檢測手機與手環之間的藍牙設備是否連接成功，若連接成功則其余各模塊開始工作，若沒有連接成功或者斷開連接，則主機模塊會通過OLED顯示屏告知使用者，并重新掃描設備進行重新連接，直至連接成功。

圖2　手環開啟后初始功能流程圖

手環在硬件設計中設有安全模式按鍵負責手環的安全模式。在安全模式下，除了OLED顯示模塊和主機模塊正常工作外，其他模塊均進入休眠狀態，在降低能耗的同時也大大降低了誤報警的可能性。

圖3　報警方法流程設計圖

在非安全模式下，主機通過芯片中的程序設計對外部傳感器檢測到的數據進行分析，在滿足報警條件的情況下操縱報警模塊工作，同時接受定位系統發送的信息并對其進行編碼，以便進行信息的傳輸。

5　實驗測試數據

為了檢驗手環的報警準確性，我們需要進行手臂擺動實驗和模擬摔倒實驗，進行手臂擺動實驗的原因是現實中在人遇到緊急情況且具有逃脫能力時，迅速跑步遠離危險時人們能選擇的最佳辦法，在跑步過程中手臂的擺動是不可避免的，其次，這也是手環檢測危險情況的一種方法，進行模擬摔倒實驗則是模擬使用者被暴力擊倒的情況。

我們分找了1名男性和1名女性分別進行了每人分別對每個實驗項目進行了六次實驗并記錄實驗數據和結果如下：

表2　男生實驗數據表

注：手臂輕微擺動和人正常走路幅度一致，中度擺動模擬正常跑步，劇烈擺動模擬跑步沖刺時手臂擺動速度和幅度。緩慢摔倒則是模擬人正常睡眠的躺下速度，迅速摔倒則是模擬人直接摔倒的情況。

根據以上兩表的實驗數據可以表明手環的幾乎不會出現誤報警的情況，但是可能在手臂擺動幅度和摔倒速度不滿足某些條件時，可能會發生不報警的情況，但是這種情況主要出現在女生當中，因此在后期的調整中應該增加手環中的傳感器的靈敏度，以便出現不報警的情況，避免危險發生時，不能及時發出求助信息。

6　總結

在本設計中，利用了現有智能手環領域的成熟技術，改變了固有智能運動手環的設計思想，并將成熟的人體運動檢測技術添加到設計當中，使整個產品設計思想專注于人身安全。在防護人身安全方面，本設計更是在提供求助報警的基礎上，加入了主動防護的功能，同時，雙重檢測功能和防誤觸功能的設計大大提高了智能安全手環防護功能的可靠性，這些也正是本設計的創新之處。

[1] 楊婷,黃韜,謝亮.基于STM32微控制器的智能手環的設計[J].科技廣場,2016(08):190-192.

[2] 杜鵬杰.智能手環智能佩戴檢測技術探究[J].家電科技,2016(12):35-37.

[3] 陳君銘,葉政.探討智能手環的幾種設計方案[J].集成電路應用,2016,33(12):57-59.

[4] 李易陸,陳洪波,蔣曉旭,李騰生,馮思浩.基于三軸加速度傳感器的人機交互智能手環[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(05):412- 415.

[5] 鄭勁松,黃振奮.基于藍牙4.0的校園可穿戴智能終端設計[J].寧德師范學院學報(自然科學版),2017,29(01):83-89.

[6] 孫志勇,龔瓊,蘇大明,王新生,馮亦寧.基于STM32的多參數手環的系統設計[J].科技視界,2016(27):444-445.