大学生研究开发老人摔倒报警器摔倒时能发出报警声
林木泉
摘要：該设计主要由三轴加速度传感器、主控芯片，GSM模块板和Lora无线模块组成，通过传感器传回的数据，主控芯片执行跌倒检测算法，当算法判定老人跌倒后实现拨打指定报警电话，并且无线模块发送报警指令到接收端，实现2种互补报警方式。经实验验证，该设计对常见跌倒情况的检测准确率达到93%以上，能够满足实际应用需求。
关键词： 三轴加速度传感器； Lora； 跌倒检测算法
中图分类号： TN98
文献标志码：B
文章编号：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，我国人口老龄化发展速度，空巢老人也越来越多，老年人的身心健康亟待关注。老年人因为身体机能老化导致动作迟缓、平衡感差，或者因为患有疾病，容易跌倒。如果跌倒后不能起身而又无人发现，贻误了救治时机，往往造成更严重后果。相关研究表明，老人跌倒造成的伤亡事故更多原因是因为救治不及时[1]。跌倒造成的影响不仅仅是子女家庭在治疗资金上的负担，也给老年人带来心理压力和阴影[2]。因此实现对老年人身体健康的实时监测有重大意义和研究价值。为解决老年人跌倒后能否及时呼救的问题，本设计提出了一种基于跌倒运动学原理，通过传感器提取跌倒特征量数据，使用单片机执行跌倒检测算法的报警系统。
本报警系统硬件可分为2部分，即穿戴端和接收端，穿戴端也是发送端。接收端分为手机接收端和Lora无线接收端。
穿戴端（发送端）硬件组成包括传感器模块、GSM模块、无线发送模块、电源模块和声音报警模块以及按键模块。这里，针对主要模块给出如下阐释：
1）传感器模块。采用ADXL345三轴加速度传感器，与主控芯片通过I2C方式通信，ADXL345输出分辨率是13位，加速度测量范围±16 g[3]，参数满足检测需求。
2）主控芯片。使用STC15W408AS，工作电压2.4～5.5 V，8K Flash，10位分辨率的ADC。
3）GSM模块。使用安信可A6 Mini GPRS/GSM模块，待机平均电流 3 mA 以下，与主控芯片通信采用串口方式。
4）无线模块。使用摩仑科技有限公司开发的LoRa（Long Range）模块，型号为L7，工作频段433 MHz和477 MHz可选。LoRa通信具有功耗低，抗干扰、距离远等特点[4]。
传感器、GSM模块和无线模块与主控芯片电路引脚连接如图2所示。
TP4056芯片最大可提供1 A充电电流，充电电流由RPROG决定，RPROG=〖SX（〗1 200〖〗IBAT〖SX）〗，误差±10%，本设计中RPROG=3.3 kΩ。
电压检测电路的作用是在低电量时进行提醒。因为不需要非常精确测量电压，所以使用2个10 K电阻串联分压，落在R9上的电压接入STC15W408AS的P0.0口做ADC测量。测得电压Vcur与实际电压Vrel满足Vrel≈2*Vcur。电压低于3.5 V时，蜂鸣器会进行长滴声提示。
一般锂电池提供给电路系统的电压为2.5-4.2 V，本次设计为增强电路系统稳定性，使用经过低压差LDO稳压输出的3.3 V供电，由于与3.7 V标称电压压差只有0.4 V，普通LDO芯片压差达不到设计要求，因而选用了超低压差LDO，由TI公司生产的TPS7333。电压检测电路与稳压电路如图4所示。
6）声音报警模块与按键模块。报警系统穿戴端与接收端都使用SFM-27型高分贝蜂鸣器，该蜂鸣器在直流电压3～24 V下均可正常工作。为保证系统长期稳定运行，使用软件消抖方式判断按键是否按下，核心电路的具体展现则如图5所示。
接收端硬件组成包括：无线接收模块、电源模块、主控芯片、声音报警模块，某电路实现如图6所示。
跌倒是指突发、不自主的、非故意的体位改变，倒在地上或更低的平面上[6]。跌倒检测目的是从日常生活活动（activities of daily living，ADL）中区别出跌倒动作。通过三轴加速度传感器来帮助建立跌倒模型。endprint
整个跌倒过程持续时间一般不超过3 s，在此期间，3个轴的加速度均发生较大变化，通过与ADL的加速度值进行比较，就可以区别出是否发生跌倒事件。
将穿戴端佩戴在腰间，因为腰部是人体重心，相比于其他部位，腰部的姿态变化与跌倒相关度更高。将ADXL345的3个轴分别与抽象的人体三维坐标系建立起联系，如图7所示。
在坐标系上，假设腰部设为原点O，以图片中人站立的状态作为参考，X轴代表ADXL345左右方向加速度的变化，Y轴代表前后方向加速度的变化，Z轴代表上下方向加速度的变化[7]。
4结束语
本设计将三轴加速度传感器与辅助作用的倾斜传感器结合后通过GSM模块与Lora无线模块实现2种报警方式：远程报警和近距离报警。近距离报警是在Lora模块通信距离范围内，实现接收端的报警提示，在实际应用中可将无线接收端置于家中，作为辅助报警手段，增加了老人跌倒后救助的成功率。本文设计的算法简洁有效，准确率高，具有较强的实用性。
参考文献：
邵宇吉，吴其林，朱治鹏，等. 一种新型腰带计步器的设计研究[J]. 电子测试，2015 （19）：111-112.
[2] 高英梅. 老年人跌倒的原因分析及护理干预[J]. 中国医药指南， 2013，11（27）：263-264.
[3] 王刚. 基于Arduino Uno平台的跌倒检测报警系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2015（7）：49-52.
[4] 王刚，温向明，路兆铭，等. 新兴物联网技术——LoRa[J]. 信息通信技术，2017（1）：55-59，72.
[5] 劉导. 基于STM32单片机的动力锂电池管理系统[D]. 保定：河北大学， 2015.
[6] 刘艳，刘文文，王莲莲. 老年人跌倒的危险因素及护理干预[J]. 现代医药卫生，2015，31（5）：688-690.
[7] 薛源. 基于多传感器的老人跌倒检测系统的研究与应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2011.
[8] 李飞龙. 基于三轴加速度传感器跌倒检测方法的研究[D]. 成都：电子科技大学， 2015.
[9] 孙子文， 孙晓雯. 基于加速度传感器的人体跌倒检测方法[J]. 计算机工程与科学， 2017， 39（2）：330-335.
[10]曹玉珍， 蔡伟超， 程旸. 基于MEMS加速度传感器的人体姿态检测技术[J]. 纳米技术与精密工程， 2010， 8（1）：37-41.endprint
