保護老人小孩安全的隱蔽定位系統(tǒng)設(shè)計

郭笑塵， 李梅

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

眾所周知，隨著中國老齡化的加速和二胎政策的實行，我國將迎來一個老年人和小孩比例高峰。而與此同時，一些問題也就暴露出來：1)美國阿茲海默癥協(xié)會發(fā)布今年數(shù)據(jù)，顯示阿茲海默癥患者數(shù)量持續(xù)上升，與此同時，這樣的情況還在加劇。預(yù)計2025年時，65歲以上患者將比現(xiàn)在增加近3成，到2050年，人數(shù)更會翻倍，總?cè)藬?shù)超過1 380萬[1]。市面上很多裝置都會選擇手環(huán)一類用于定位，但是，手環(huán)又過于顯眼，與此同時，他們又都保留著人最基本的尊嚴，很多老人不想讓別人知道他們的特殊情況。而阿爾茲海默癥患者最讓親屬擔(dān)心的就是他們所在的位置，這就造成一個矛盾； 2)由于小孩的分辨本領(lǐng)和防暴本領(lǐng)較弱，拐賣兒童問題屢見不鮮，雖然有了類似I-Watch等設(shè)備，不過由于過于顯眼，犯罪分子能夠第一時間拆除而導(dǎo)致設(shè)備失效3)因為女士防暴能力一般，而身上多有貴重物品，因此女士路遇搶劫也成為了某些地區(qū)的常見犯罪問題。為了預(yù)防以上情況的發(fā)生，本設(shè)計針對弱勢群體的安全問題設(shè)計了一套電子嵌入式定位系統(tǒng)。

隱蔽性強是本設(shè)計的一大特點。本設(shè)計為解決同類的電子設(shè)備出現(xiàn)的高誤報率、交互性差、高功耗問題，通過系統(tǒng)設(shè)計、工作模式設(shè)計、系統(tǒng)報警策略改進、電路設(shè)計和算法設(shè)計等方式得到了一套相較可觀的解決方案。為了保持危險到來時信號的及時發(fā)出，采用經(jīng)典的GSM來完成通訊系統(tǒng)。同時又加入了無線通信技術(shù)來跟現(xiàn)在的先進科技對接又增強設(shè)備的可利用性和嵌入式技術(shù)使功能相對完善。在本設(shè)計中，以STM32F103ZET6為核心[2]，GSM與GPS作為通信和定位裝置的嵌入式平臺上進行測試[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計與框架架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計以STM32F103ZET6為主控芯片。當按鍵被按下時，裝置啟動。通過GSM模塊向手機發(fā)出信號，同時用戶對警報信息進行判斷；通過GSM實現(xiàn)與用戶的信息交互，以達到實時通訊；通過GPS實現(xiàn)定位功能[4][5]；又加入了紅外模塊協(xié)助控制主控芯片。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.2 工作模式設(shè)計

設(shè)計中采用STM32F103ZET6支持的睡眠模式與平時模式[6]，按鍵在第一次觸發(fā)時設(shè)備運行的狀態(tài)稱為檢測模式，按鍵在第二次觸發(fā)時設(shè)備運行的狀態(tài)稱為警報模式，警報在沒有觸發(fā)時設(shè)備運行的狀態(tài)稱為平時模式。以下為工作模式的切換設(shè)計：

(1) 系統(tǒng)在上電啟動后進入監(jiān)測模式，如果在設(shè)定的一段時間內(nèi)再次出現(xiàn)按鍵裝置啟動現(xiàn)象，則進入警報模式；若在設(shè)定的時間內(nèi)沒有任何異動發(fā)生，則系統(tǒng)自動切換到平時模式。[7]

(2) 系統(tǒng)處于平時模式時，系統(tǒng)內(nèi)核停止工作，系統(tǒng)可以被按鍵裝置開啟進入檢測模式。

系統(tǒng)通過三種工作模式的切換來降低功耗。工作模式切換如圖2所示。

圖2 工作模式切換示意圖

1.3 系統(tǒng)報警策略設(shè)計

本設(shè)計改進了系統(tǒng)報警策略以解決普遍存在的誤報率高的問題。

(1) 物理干涉。設(shè)計員經(jīng)過對3-8歲的不同年齡段的孩子進行力量測試，取得平均值，提高了按鍵強度，使之不會因為小動作觸碰而導(dǎo)致工作模式的改變及求救發(fā)出，又解決了因為閾值過大導(dǎo)致警報不能及時發(fā)出的問題。

(2) 本設(shè)計通過算法設(shè)計來實現(xiàn)報警策略的第二次判斷。使監(jiān)控模塊能自動對警報的一些情況進行初步分析和判斷，改善了誤報情況的發(fā)生。監(jiān)控模塊依據(jù)這一算法濾掉可能引起警報啟動的正常因素，比如孩子在一起玩鬧，不經(jīng)意碰到，或者摔倒導(dǎo)致的按鍵啟動；顛簸引起的半規(guī)矩性按鍵啟動。模塊忽略此類異動后，進入正常檢測狀態(tài)。

(3) 本設(shè)計采用了兩種工作環(huán)境，在第一觸碰按鍵時不會造成警報，只是變?yōu)闄z測模式。在之后的檢測時間內(nèi)，出現(xiàn)了第二次報警狀況，才對手機發(fā)出緊急警報指令。在主控芯片的控制下通過GSM模塊發(fā)送消息到受警者(接受警報信號的人，即短信接收端)手機[8]，受警者收到短信后，依據(jù)對使用者所處狀況做出判斷，具體判斷情況如下：

如果是自然環(huán)境因素導(dǎo)致使用者需要穿衣或是收攏衣服而導(dǎo)致觸發(fā)警報，同時受警者能確認使用者的安全問題，可通過短信回復(fù)命令來忽略本次警報同時進入警報模式；

如果受警者判斷使用者危險，則短信回復(fù)命令使模塊進入警報模式，通過GPS以及GSM模塊協(xié)作[9]，每隔相同時間就發(fā)送位置信息到受警者手機[10]。

通過上述報警策略，在保證精確定位同時又能降低誤報率和對人工判斷的依賴性。報警策略流程圖如圖3所示。

圖3 報警策略設(shè)計圖

1.4 系統(tǒng)解除警報設(shè)計

為了使裝置能夠在非危險情況下，以及在危險解除情況下解除警報狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)計了兩種解除模塊報警的方式：

(1) 通過手機短信來解除警報狀態(tài)：在模塊進入警報狀態(tài)后保持檢測用戶的短信命令，通過短信發(fā)送sleep可以控制模塊進入平時模式。

(2) 通過紅外遙控器協(xié)助解除警報狀態(tài)控制模塊進入平時模式。

解除報警設(shè)計對裝置進行解除報警，如圖4所示。

圖4 解除報警設(shè)計圖

1.5 隱蔽性、可拆卸達成策略

本設(shè)計為金屬材質(zhì)，使裝置體積做到盡量小。并在邊緣不影響設(shè)備操作的部分區(qū)域?qū)ΨQ打孔，將該裝置固定在等大的粘扣上。來達到在衣服上固定、不易丟失并且隱蔽的特點。

2 系統(tǒng)硬件組成設(shè)計

2.1 主控芯片設(shè)計

本設(shè)計從芯片上引出了兩個串口來實現(xiàn)對各個模塊的控制，使之連成一個整體，實現(xiàn)預(yù)設(shè)目的。外部只保留一個按鍵來實現(xiàn)電源的開關(guān)和警報的輸出、信息的發(fā)送。又使用了芯片上的兩個引腳來實現(xiàn)對電源的通斷的控制[11]。

2.2 主控芯片與GPS模塊的連接與通信

此處使用ATK-NEO-6M GPS模塊作為本設(shè)計中的定位模塊。該模塊可以通過串口進行參數(shù)的配置并設(shè)定其工作狀態(tài)，來達到功能的實現(xiàn)。開機后對GPS初始化，初始化完成后，GPS系統(tǒng)與衛(wèi)星形成關(guān)聯(lián)，能夠得到有效信息，返回芯片，經(jīng)過處理后將所得信息有效部分發(fā)送至受警者手機，實現(xiàn)GPS與GSM的交互，操作簡單也有效地達到了期望目的[12]。

2.3 主控芯片與GSM模塊的連接與通信

因為某些偏遠山區(qū)網(wǎng)絡(luò)的不發(fā)達，故使用了經(jīng)典的GSM模塊，此處使用“全球鷹-SIM900A”GSM模塊作為本設(shè)計中的GSM模塊。該模塊可以做到對其進行簡單的編程，可以很好的實現(xiàn)短信的實時傳輸，能夠很好的適應(yīng)核心芯片和實現(xiàn)預(yù)設(shè)目的[13]。

2.4 硬件設(shè)計電路

為進一步節(jié)省功耗，設(shè)計者使用圖5所示的控制電路對GSM、GPS模塊進行控制。只有進入警報模式后，主控芯片才會控制接通GPS，使其開始工作。

圖5 電源控制電路圖

3 測試效果

3.1 誤報測試

測試中以輕微的觸碰和穿脫衣服模擬產(chǎn)生誤報信號，監(jiān)控模塊32%未從模式中喚醒，56%從模式中喚醒，不過由于算法這一模塊的存在，導(dǎo)致裝置沒有進入警報模式而是等待后續(xù)信號以完成之后的判斷。如果之后沒有預(yù)保留信號的輸入，5分鐘后裝置進入平時模式。

3.2 報警測試

測試中以連續(xù)多次有效按鍵模擬報警信號，排除預(yù)保留信號的前提下，裝置向受警者發(fā)送信息，得到受警者確認后向受警者發(fā)送位置信息。實驗表明，在引入算法后，誤報率高的問題有了明顯的改善，因為各種模式切換和電路的再開發(fā)，實現(xiàn)了耗電量低的特點。實現(xiàn)了長期工作的目的。由于上電后裝置需要時間來啟動，所以裝置在被觸發(fā)后有一段時間的延遲。

3.3 耗能測試

經(jīng)統(tǒng)計，市面上大多數(shù)類似裝置只能用大概8小時左右，在絕對待機的情況下只能維持20小時。經(jīng)過使用多種工作模式自動切換以及控制GSM與GPS電源的方式，確實做到了極大地提高續(xù)航時間。[14][15]

3.4 隱蔽性測試

設(shè)計者和同學(xué)將其戴在身上10天，沒有人被問到關(guān)于本設(shè)備的問題，沒有引起大家的注意，證實隱蔽性良好。

3.5 可拆卸測試

設(shè)計者將該裝置固定在不同材質(zhì)的衣服上。在將公扣縫在所需衣物上時，附著效果良好，可重復(fù)利用50次以上。在沒有公扣的前提下，除了毛衣效果一般，其他非毛料衣物效果很差。

4 總結(jié)

為實現(xiàn)對弱勢群體(老人，女性，小孩)的精神和身體的保護，設(shè)計了一套基于GSM和GPS的嵌入式通訊系統(tǒng)。使用一鍵式通訊技術(shù)達到了提高交互性的目的。又使用了不同的工作模式來應(yīng)對不同的狀態(tài)，并且設(shè)計新電路來達到對GSM與GPS電源的控制來節(jié)省功耗。本設(shè)計另外特點就是隱蔽性好和可拆卸。可拆卸的特點使之達到了多次利用的目的。而隱蔽性好使得使用者在遇到危險時，裝置不會在第一時間被犯罪分子拆毀而起不到應(yīng)有的效果。測試結(jié)果表明本設(shè)計能達到多次利用，消除了絕大部分的誤報，提高了可交互性，且功耗極低，隱蔽性良好。因此達到了設(shè)計要求。