老年多功能機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝雙璐　魏永　柴昊

摘要：老年多功能機(jī)主要由屏幕顯示、CPU主控器、GSM、ADXL345加速度模塊、MP3等模塊組成。系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制和計(jì)算芯片，采用加速度模塊檢測(cè)老人運(yùn)動(dòng)加速度的變化，判斷是否摔倒并通過(guò)GSM模塊發(fā)短信通知監(jiān)護(hù)人。系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)潔，同時(shí)兼具摔倒檢測(cè)、脈搏檢測(cè)、GSM短信發(fā)送、MP3音樂(lè)播放、撥打電話(huà)等功能，易于攜帶，具有很大的實(shí)用性，是一款專(zhuān)門(mén)為老年人設(shè)計(jì)的多功能監(jiān)護(hù)設(shè)備。

關(guān)鍵詞： STC12C5A60S2單片機(jī)；ADXL345；GSM；摔倒

一、緒論

老齡化問(wèn)題是全球性問(wèn)題，老年人的監(jiān)護(hù)己成為社會(huì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，近年來(lái)中國(guó)的人口老年人占據(jù)了很大的比例，到2025年以后我國(guó)的老齡將達(dá)到一個(gè)高峰期，老年人的監(jiān)護(hù)就成了一個(gè)問(wèn)題。越來(lái)越多的組織和科研機(jī)構(gòu)致力于研究老人多功能機(jī)即老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其研究成果大致歸納為以下幾類(lèi)：基于多傳感設(shè)備的生活環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于可穿戴設(shè)備的生理參數(shù)采集系統(tǒng)、基于智能終端的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)以及基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，往往造價(jià)較高，而本項(xiàng)目采用常用STC12C5A60S2單片機(jī)，重點(diǎn)針對(duì)老年人摔倒情況進(jìn)行檢測(cè)并采用GSM短信方式通知家人，重點(diǎn)解決老人跌倒后無(wú)人問(wèn)津的問(wèn)題，及時(shí)讓老人得到救助。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由MCU主控模塊、摔倒檢測(cè)模塊、GSM通信模塊、音樂(lè)播放模塊、脈搏檢測(cè)模塊、液晶屏幕顯示模塊組成。主控模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)組成的CPU模塊的控制和計(jì)算。摔倒檢測(cè)模塊采用ADXL345三軸加速度芯片采集加速度變化參數(shù)，通過(guò)計(jì)算判斷老人是否摔倒然后通過(guò)GSM通信模塊發(fā)短信通知監(jiān)護(hù)人。音樂(lè)播放模塊采用MP3芯片儲(chǔ)備娛樂(lè)相關(guān)內(nèi)容并進(jìn)行切換和音量的調(diào)整。液晶屏顯示模塊除了可以顯示日期之外也可顯示單片機(jī)采集和處理過(guò)脈搏、音樂(lè)等各功能模塊采集數(shù)據(jù)（整體框圖如圖1所示）。

GSM通信模塊，采用SIM900A集成的模塊，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。尺寸不超過(guò)3MM，外觀精巧，方便攜帶。

脈搏檢測(cè)模塊電路由光電傳感器、信號(hào)處理、數(shù)碼顯示、電源等部分組成。隨著心臟的跳動(dòng)，人體血管中血液的流量發(fā)生變化，紅外接收管的電流也跟著改變，并輸出脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后輸出，MCU對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后存儲(chǔ)并通過(guò)液晶顯示電路顯示。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了減弱由一塊STC12C5A60S2作為MCU帶來(lái)的運(yùn)行速度過(guò)慢以及大大影響到在前文提到的摔倒檢測(cè)功能、脈搏檢測(cè)功能等核心功能的正常運(yùn)行，于是本產(chǎn)品采用兩塊STC12C5A60S2 其中一塊主要使用串口與ADXL345，從而保證摔倒檢測(cè)功能、脈搏檢測(cè)功能等核心功能的正常運(yùn)行。剩下的一塊作為CPU控制本產(chǎn)品的整體的合理穩(wěn)定的運(yùn)行，系統(tǒng)擴(kuò)展性較強(qiáng)可以添加過(guò)溫報(bào)警，偷竊報(bào)警等外設(shè)功能電路。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)設(shè)計(jì)

多功能老年機(jī)中采用ADXL345與單片機(jī)之間是通過(guò)IO口模擬的I2C來(lái)通信。單片機(jī)采用STC12C5A60S2單片機(jī)，其通過(guò)不停的檢測(cè)ADXL345模塊，檢測(cè)老年人加速度的變化，在結(jié)合三軸加速度跌倒檢測(cè)算法，判斷老人是否跌倒。通過(guò)檢測(cè)加速度，根據(jù)公式算出角度變化量，檢測(cè)振蕩動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)摔倒判斷。其程序流程圖如圖2所示：

四、結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)以采用三軸加速度跌倒檢測(cè)算法和GSM短信發(fā)送，利用常用單片機(jī)和光電脈搏檢測(cè)，進(jìn)行了老年機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)介輕巧，集成了娛樂(lè)、脈搏檢測(cè)、跌倒檢測(cè)和短信發(fā)送功能，在進(jìn)行跌倒報(bào)警功能的基礎(chǔ)上兼具了脈搏顯示、音樂(lè)播放等功能，在一定程度上滿(mǎn)足了老人的護(hù)理要求。

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項(xiàng)目：本文系國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 “老年多功能機(jī)設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號(hào)：201713998005）階段性研究成果