一種基于北斗定位的老年人跌倒檢測終端設計

李和，蔣紅梅

（1.桂林師范高等專科學校，廣西桂林，541199；2.桂林電子科技大學信息科技學院，廣西桂林，541004）

據統(tǒng)計，目前中國60歲及以上老年人數(shù)量已超過2.5億，隨著老齡化社會的到來，老年人的健康照料和養(yǎng)老問題已成為迫切需要解決的社會問題。數(shù)據統(tǒng)計表明，我國老年人中至少每年有2500萬以上的人突發(fā)跌倒損傷事故，占老年人意外傷害事件中的比例高達55.73%，可見，跌倒是威脅老年人生命健康安全的重要因素之一[1]。因此，老年人跌倒檢測及快速定位報警技術已成為關愛老年人生命健康科研領域的重要研究方向。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可在全球范圍內為各類用戶提供全天候的高精度定位、導航和授時服務，同時具備短報文通信的能力[2]。微機電系統(tǒng)(MEMS：Micro-Electro-Mechanical System)傳感器以其重量輕、體積小、耗能低且性能成熟穩(wěn)定等優(yōu)勢，近年來在加速度檢測、運動檢測及狀態(tài)檢測等方面得到了廣泛應用[3]。本文以此為背景，基于北斗定位技術及MEMS加速度傳感器技術，設計一款便攜式定位及跌倒檢測終端，設備適合老年人穿戴并具有跌倒自啟動的功能，當老年人突發(fā)跌倒險情時，設備自動開機并把包含跌倒位置的求救信息發(fā)送到老人的子女或指定監(jiān)護人的手機上，從而得到精準及時的救助。

1 跌倒檢測終端的總體結構

基于北斗定位的跌倒檢測終端設備主要包括主控處理器（MCU）、北斗RNSS定位模塊、GPRS通信模塊、跌倒檢測模塊、電源模塊、報警指示模塊和一鍵呼救按鍵等，其實現(xiàn)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用可穿戴式設計，可佩戴于老人的腰部或腿部。為提高效率，當老人在非跌倒情況下，終端處于休眠待機狀態(tài)；當老人出現(xiàn)跌倒狀態(tài)時，報警指示模塊進行蜂鳴/震動報警，提醒佩戴者進行報警判斷：終端設有人工一鍵呼救和跌倒自啟動兩種求救方式，大部分老人跌倒后，可在20秒以內再次站起來，自行消除報警信息不對外發(fā)送，或選擇一鍵呼救按鍵報警求救；如果蜂鳴/震動報警器超過25秒沒有復位時，判斷為老人摔倒嚴重且不具備蜂鳴/震動取消操作能力，則直接啟動報警程序。當主控處理器接收到一鍵呼救按鍵命令或跌倒檢測模塊啟動報警命令后，終端將包含自身位置的求救信息通過GPRS模塊發(fā)送至老人的子女或指定監(jiān)護人的手機上，幫助老人親友第一時間獲取其實時摔倒位置，實現(xiàn)快速精準救援。

2 跌倒檢測終端的硬件設計

■2.1 主控處理器（MCU）

終端采用STC15F2K60S2單片機作為主控處理器，控制北斗RNSS定位模塊、跌倒檢測模塊、一鍵呼救模塊、GPRS通信模塊及電源模塊、報警指示模塊等重要模塊。主控處理器一方面對北斗RNSS定位模塊送過來的衛(wèi)星無線電導航信號進行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時間等定位信息；另一方面，當接收到一鍵呼救按鍵命令或跌倒檢測模塊啟動報警命令后，主控處理器負責將包含自身位置的求救信息按GPRS短消息格式進行封裝和打包，并將打包和封裝好的求救信息傳送至GPRS通信模塊。本設計的主控處理器電路如圖2所示。

圖2 主控處理器電路

■2.2 北斗RNSS定位模塊

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模塊，是用來接收衛(wèi)星無線電導航信號，自主完成最少與4顆衛(wèi)星的距離測量，并進行用戶位置、速度及航行參數(shù)的計算，實現(xiàn)用戶位置、時間、速度等信息的獲取。本次設計北斗定位模塊采用的是和芯星通公司的UM220-IV模塊，該模塊支持BDS B1+GPS L1雙系統(tǒng)聯(lián)合定位或單系統(tǒng)獨立定位，在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達到2.5m CEP，測速精度為0.1m/s，垂直定位精度為5m CEP，跟蹤靈敏度可達-161dBm。UM220-IV模塊輸入/輸出信號類型為LVTTL電平，與單片機配合使用無需進行電平轉換。北斗定位模塊電路如圖3所示。

圖3 北斗定位模塊電路

■2.3 跌倒檢測模塊

人在正常活動時與跌倒過程中，有不同的加速度。人在正常行走時的總加速度是以1g為中心，正負1g的范圍內波動，其中g為重力加速度取值為9.8N＊m/s；當在跑步或在一定高度跌倒的時候，總加速度一般在4g以上。因此，通過設置總加速度的臨界值可以判斷人員是否跌倒，考慮到跌倒情況有一定的差異性，結合實驗結果，本設計的臨界值設置為大于3g時觸發(fā)單片機啟動發(fā)射程序報警。

跌倒檢測模塊中采用小巧輕薄的ADXL345加速度傳感器，ADXL345是ADI公司推出的基于 MEMS技術的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器。其分辨率高達13位；靈敏度高達3.9mg/LSB，能測量到最小1.0°的傾斜角度變化；具有±2g，±4g，±8g，±16g可變的測量范圍；具有40～145uA的超低功耗，待機模式只有0.1uA；采用LGA封裝，整個IC的尺寸只有3mm×5mm×1mm；支持標準的I2C或SPI數(shù)字接口，中斷方式靈活并且內部有多種運動狀態(tài)檢測特性，包括非活動或活動檢測、敲擊檢測或自由落體檢測，可測量靜態(tài)加速度，運動或沖擊引起的動態(tài)加速度。跌倒檢測電路如圖4所示。

圖4 跌倒檢測模塊電路

■2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用的是一款四頻GSM/GPRS模塊SIM800H，其性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800H工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據信息的傳輸。SIM800H尺寸為15.8×17.8×2.4mm，能適用于各種緊湊型產品設計需求。同時通過支持藍牙/FM和Embedded AT等高級特性，可以為客戶節(jié)省成本和快速開發(fā)帶來更多便利。SIM800H的異步串口通信引腳可以直接與MSP430處理器相連，并且實際應用時可插入SIM卡，符合本次設計系統(tǒng)的開發(fā)要求。

3 跌倒檢測終端的軟件設計

圖5 跌倒檢測終端的軟件流程圖

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183標準協(xié)議，主要由幀頭、幀內數(shù)據和幀尾組成。幀頭主要有"$XXRMC”、"$XXGSA”、"$XXGSV”以及"$XXGGA”等，其中XX為BD是北斗模式。通常情況下，我們關心的定位信息如經緯度、海拔、時間等數(shù)據均可以從"$XXRMC”幀中獲得[4]。軟件采用C語言編寫，當電源打開時，單片機對北斗RNSS定位模塊信息進行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時間等定位信息存入指定的寄存器；當接收到一鍵呼救按鍵命令或跌倒檢測模塊啟動報警命令后，單片機發(fā)射程序啟動，控制GPRS通信模塊以間隔30秒發(fā)射一次包含用戶位置的求救信息。跌倒檢測的軟件流程如圖5所示。

4 結束語

以上是基于北斗定位技術及MEMS傳感器設計的一款便攜式跌倒檢測終端。利用三軸加速度傳感器進行跌倒檢測，利用北斗RNSS定位模塊檢測跌倒發(fā)生的位置，采用GPRS通信模塊將包含跌倒位置的求救信息發(fā)送到老人親友的手機上，從而得到及時精準的救援。設備采用可穿戴式設計并具有跌倒自啟動的功能，具有廣闊的應用前景。