基于Arduino單片機的便攜式老年人跌倒報警系統(tǒng)設(shè)計

肖二寧，張興明，李康士，董永吉

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州　450000）

基于Arduino單片機的便攜式老年人跌倒報警系統(tǒng)設(shè)計

肖二寧，張興明，李康士，董永吉

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州450000）

為了實現(xiàn)對老年人跌倒報警的需求，提出了一種基于Arduino單片機的跌倒報警系統(tǒng)設(shè)計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)由便攜式設(shè)備與監(jiān)護APP組成，便攜式設(shè)備主要包括完成數(shù)據(jù)處理的8位AVR單片機Arduino NANO、實現(xiàn)通信功能及短信報警的SIM900A芯片、實現(xiàn)跌倒檢測功能的ADXL345芯片與實現(xiàn)定位功能的WAVESHARE GPS NEO 6M芯片。監(jiān)護APP部分采用基于Android 4.4與高德地圖包開發(fā)，支持國內(nèi)任意地點顯示，支持路徑規(guī)劃及語音播報。實際應(yīng)用與測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、跌倒報警準確、定位精度高等特點，具有很強的實用價值和良好的市場前景。

Arduino；便攜式設(shè)備；跌倒報警；跟蹤定位

人口老齡化是一種全球性的發(fā)展趨勢，中國也不例外。根據(jù)2010年第六次全國人口普查數(shù)據(jù)公報顯示［1］，全國60歲及以上的人口為1.7765億，占全國總?cè)丝跀?shù)量的13.26%，與上一次人口普查數(shù)據(jù)比較，提高了2.93個百分點。全國65歲及以上的人口為1.1883億，占全國總?cè)丝跀?shù)量的8.87%，與上一次人口普查數(shù)據(jù)比較，提高了1.91個百分點，到2050年，我國老年人數(shù)量將會達到人口總數(shù)的三分之一［2-3］。經(jīng)研究資料顯示［4-5］：在我國，65歲以上的老年人每年至少跌倒1次的占50%，而80歲以上跌倒比例高達50%—80%；而在英國，40%-60%的失智癥患者每年至少跌倒一次，此發(fā)生率是非失智老人的2倍［6-7］。

由此可見，老年人跌倒發(fā)生的比例是相當高的，為了實現(xiàn)對老年人跌倒危情的報警，在兼顧功能與成本的前提下，提出并設(shè)計了一種基于Arduino單片機的便攜式老年人跌倒報警系統(tǒng)（以下簡稱“報警系統(tǒng)”）設(shè)計方案。該系統(tǒng)準確實現(xiàn)了跌倒報警功能，并可以通過手機APP查詢被監(jiān)護人跌倒位置，使監(jiān)護人可以快速的到達跌倒現(xiàn)場，及時解除危險。

1　系統(tǒng)需求分析

針對為滿足老年人跌倒報警的需求，首先，要完成跌倒檢測功能，該功能需要模塊持續(xù)檢測，并可以實現(xiàn)人體不同姿態(tài)感知，然后，完成跌倒報警功能，該功能需要模塊實現(xiàn)與手機之間的通信功能，最后，完成跌倒位置定位及到達路線規(guī)劃功能，該功能需要模塊可以準確定位跌倒位置，而且可以通過APP查詢路線規(guī)劃。

2　總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，報警系統(tǒng)由加速度傳感器模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。其中加速度傳感器完成加速度數(shù)據(jù)采集；GPS定位模塊負責采集被監(jiān)護人的所在位置的經(jīng)緯度坐標信息；處理器模塊根據(jù)加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)送；電源模塊負責為整個系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負責將報警信息和GPS定位數(shù)據(jù)通過一定的協(xié)議發(fā)送給手持智能終端。報警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由控制器模塊、加速度模塊、GPS定位模塊、SIM/GPRS通信模塊、電源模塊等構(gòu)成，為了減小跌倒誤報率，增加了手動取消報警按鈕。具體模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該設(shè)備的處理器核心是ATmega328［8］，同時具有14路數(shù)字I/O口，其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕，在AREF處設(shè)有兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口，IOREF和一個預(yù)留管腳，采用5 V或3.3V供電，大小尺寸為：寬70 mm×高54 mm，滿足便攜性要求。加速度模塊采用ADI公司的ADXL345三軸加速度傳感器，分辨率高（13位），測量范圍達±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動設(shè)備應(yīng)用，其高分辨率（3.9mg/ LSB），能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化［9］。GPRS通信模塊采用SIM900A［10］，GPS定位模塊采用WAVESHARE GPS NEO 6M芯片，該芯片功耗低、性能高，能夠滿足本系統(tǒng)要求［11］。

圖2　系統(tǒng)硬件模塊圖

4　報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)跌倒報警與定位跟蹤的設(shè)計需求，系統(tǒng)要同時具備準確跌倒檢測、地理位置定位、報警信息發(fā)送和無線通信功能，由此該模塊主要由跌倒判斷子模塊、定位地理位置坐標子模塊、基于GSM的報警信息發(fā)送子模塊與基于GPRS的定位坐標發(fā)送子模塊組成，報警系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件總體流程圖

4.1基于四級判斷的跌倒檢測算法

本文給出的跌倒檢測算法［12］，完全基于ADXL345內(nèi)部的運動狀態(tài)檢測功能和中斷功能，甚至不需要對加速度的具體數(shù)值進行實時讀取和復(fù)雜的計算操作，可以使算法的復(fù)雜度降至最低。具體跌倒檢測算法流程圖如圖4所示。

圖4　跌倒檢測算法流程圖

4.2定位地址與行駛路線地圖顯示子模塊

該模塊基于socket TCP通信機制［13］，并在阿里高德地圖開發(fā)包基礎(chǔ)上進行定位與地圖顯示［14］，該模塊由監(jiān)護人主動觸發(fā)，然后與室外跌倒報警模塊上的GPRS模塊建立TCP連接，獲取當前被監(jiān)護人經(jīng)緯度坐標值，顯示定位地點，并可以查詢到達被監(jiān)護人地點最短路徑，使得監(jiān)護人以最快速度抵達現(xiàn)場。該模塊流程如圖5所示。

5　系統(tǒng)測試

經(jīng)過針對不同身高體重的人員分別進行十次測試，全部檢測到跌倒，但是有1次沒有發(fā)出跌倒警報，經(jīng)過分析可能是因為測試人員在跌倒之后身體佩戴部位仍有活動，導(dǎo)致系統(tǒng)只進行了跌倒判斷而沒有發(fā)出跌倒警報。本系統(tǒng)設(shè)有防誤報按鈕，當系統(tǒng)出現(xiàn)假陽性或者跌倒對佩戴者沒有安全威脅時佩戴者可以手動取消警報，完全滿足佩戴者使用要求。

圖5　跌倒地址地圖與行駛路線顯示模塊流程圖

監(jiān)護APP主要完成兩大功能：獲取跌倒地址與到達跌倒地址路線規(guī)劃，將便攜式設(shè)備帶在被監(jiān)護人身上，當收到報警短信后，打開監(jiān)護APP，我們可以主動獲取被監(jiān)護人地址，獲取到地址后，我們可以打開路線規(guī)劃頁面，快速到達跌倒位置，該APP提供兩種到達被監(jiān)護人地址的方式，包括駕車與步行，并支持語音導(dǎo)航，路線規(guī)劃功能界面如圖6所示。

圖6　獲取與到達跌倒地址路線規(guī)劃界面

GPS定位精度測試點分別選擇二七紀念塔、火車東站這2個地點，定位坐標（Lat，Lon）比較經(jīng)緯度測量值如表 1所示，經(jīng)過精度誤差分析，經(jīng) GPS精度修正算法修正［15］后的定位坐標誤差均在10 m以內(nèi)，與商用GPS定位儀精度相當。

表1　定位坐標修正前后對比

6　結(jié)　論

該老年人跌倒報警系統(tǒng)采用成本低廉的Arduino單片機和各類傳感器為硬件平臺，配套應(yīng)用軟件采用Android開發(fā)，應(yīng)用簡便，測試結(jié)果表明，該報警系統(tǒng)可以準確的實現(xiàn)跌倒報警、位置定位，并可以提示監(jiān)護人，監(jiān)護人可以最快速度到達跌倒地點，從而大大降低了老年人跌倒所帶來的危害。

［1］張建，華琦.中國老齡化的特征發(fā)展趨勢與對策［J］.中國心血管雜志，2010，15（1）：79-80.

［2］黃興亞.老年人養(yǎng)老現(xiàn)狀及對策問題的研究［J］.科技經(jīng)濟市場.2014，11（1）：90-91.

［3］周白瑜，于普林.老年人跌倒和心血管疾?。跩］.中華老年醫(yī)學(xué)雜志，2010，25（3）：224-227.

［4］M.N.Nyan，F(xiàn).E.H Tay，A.W.Y Tan，et al.Distinguishing fall activities from normal activities by angular rate characteristics and high-speed camera characterization［J］.Medical Engineering&Physics，2012，28：842-849.

［5］Chang JT，Morton SC，Rubenstein LZ，et al.Interventions for the prevention of falls in older adults：systematic review and meta-analysis of randomized clinical trials［J］.BMJ，2014，328：680-683.

［6］Gillespie LD，Gillespie WJ，Robertson MC，et al.Interventions for preventing falls in elderly people［J］.Cochrane Database Syst Rev，2013，4：30-33.

［7］李冬.老年人跌倒檢測原型系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［8］屈寶鵬.基于ATMEGA328的視頻監(jiān)控智能車的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子設(shè)計，2015，38（19）：160.

［9］袁西.三軸數(shù)字加速度計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計工程，2010，18（3）：80.

［10］翟順.基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報警系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù).2012，35（5）：70-72.

［11］李楠.基于實時路況信息的GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)［D］.廈門：廈門大學(xué)，2011.

［12］黃戰(zhàn)華.基于GPRS和Socket機制實現(xiàn)多媒體消息傳輸?shù)难芯浚跩］.通信技術(shù)，2007，11（40）：10-11.

［13］任克強.基于Android的手機導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與實驗［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31（5）：19-21.

［14］陳賽.基于單片機的多功能手持GPS定位儀的設(shè)計［J］.測繪工程，2012，12（4）：98-99.

［15］嚴莉.基于分數(shù)間隔均衡技術(shù)的GPS定位修正算法［J］.計算機仿真，2014，31（11）：150-151.

Design of a portable falling alarm system of old people based on Arduino MCU

XIAO Er-ning，ZHANG Xing-ming，LI Kang-shi，DONG Yong-ji
（National Digital Switching System Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450000，China）

In order to satisfy the fall deterction of old people，a design scheme of fall monitoring system based on Arduino MCU is proposed.and the hardware and software design of the system is completed.The system consists of a portable device and a APP monitor，The portable device mainly includes 8-bits Arduino AVR MCU，the SIM900A chip which realizes the communication function and SMS alarm，the ADXL345 chip which realizes fall detection function，and the GPS NEO 6M WAVESHARE chip which realizes the positioning function.APP monitor is based on Android 4.4 and AutoNavi map package development，support domestic arbitrary locations show easy tracking view.Practical application and test results show that，the system has the advantages of simple operation，accurate positioning，fall alarm precision，meet the design requirements.

arduino；portable device；falling alarm；tracking and positioning

TN02

A

1674－6236（2016）09-0150-03

2015-11-17稿件編號：201511164

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（61521003）

肖二寧（1990—），男，河南開封人，碩士。研究方向：嵌入式技術(shù)。