基于Android系統(tǒng)的可穿戴報(bào)警設(shè)備設(shè)計(jì)

丁超 楊永杰 潘睿 申紅明

摘 要： 介紹基于Android系統(tǒng)的新型可穿戴報(bào)警設(shè)備的設(shè)計(jì)。該設(shè)備主要由電子鞋報(bào)警模塊和Android APP兩個(gè)部分組成。系統(tǒng)使用微型充電電池搭配壓電陶瓷充電電路為報(bào)警模塊供電，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。當(dāng)遇到危險(xiǎn)時(shí)，使用者可以利用腳跟重壓報(bào)警按鍵3 s主動(dòng)發(fā)送信號(hào)或者在系統(tǒng)陀螺儀檢測(cè)到使用者處于摔倒?fàn)顟B(tài)，且Android手機(jī)脫離連接范圍的情況下，自動(dòng)使用鞋內(nèi)報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng)低功耗藍(lán)牙4.0向APP發(fā)送報(bào)警信號(hào)。APP將當(dāng)前記錄的GPS數(shù)據(jù)作為警報(bào)信息內(nèi)容發(fā)送至多個(gè)已綁定的郵箱和手機(jī)，并撥打110報(bào)警電話，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)、快速地求救。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)識(shí)別危險(xiǎn)情況準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、可靠性較高，具備一定市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： Android； 可穿戴設(shè)備； 陀螺儀； 壓電陶瓷充電電路； 報(bào)警設(shè)備； GPS

中圖分類號(hào)： TN820.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0059?05

Abstract： The design of a novel wearable alarm device based on Android system is introduced. The device is mainly composed of two parts of electronic shoe alarm module and Android APP. In the system， the micro charging battery matched with the piezoelectric ceramic charging circuit is used to supply power for the alarm module， so as to prolong the service time of the battery. When danger comes， users can use their heels to press the alarm button hard for 3 seconds， so as to send signals actively， or their falling state can be detected by the gyroscope of the system. If the Android phone is beyond the connection scope， the electronic shoe alarm module will automatically drive the low?consumption Bluetooth 4.0 to send alarm signals to APP. APP takes the currently?recorded GPS data as the alarm information content to send it to multiple bound mailboxes and mobile phones， and dials the alarm telephone number 110， so as to realize timely and rapid rescue. The experimental results show that the system can identify dangerous circumstances accurately， has high real?time performance， reliability， and a certain market application value.

Keywords： Android； wearable device； gyroscope； piezoelectric ceramic charging circuit； alarm device； GPS

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛快發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)也帶動(dòng)了智能手機(jī)的發(fā)展，目前，搭載有Android系統(tǒng)的智能手機(jī)市場(chǎng)占有率高達(dá)89%。物質(zhì)文化的高速發(fā)展并不能掩蓋一些社會(huì)問(wèn)題，特別是近年來(lái)惡性傷害的事件逐步增長(zhǎng)，人民安全需要得到更多的保障[1]。

現(xiàn)在市面上有很多針對(duì)不同群體的可穿戴電子設(shè)備，如針對(duì)兒童安全的360兒童衛(wèi)士手環(huán)、小天才Y01手表等。這些產(chǎn)品內(nèi)置GPS模塊和GSM通信模塊，通過(guò)配套的APP，家長(zhǎng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控兒童位置，但由于使用者年齡較小，安全因素更多地依賴于家長(zhǎng)的監(jiān)視，這需要耗費(fèi)家長(zhǎng)的大量時(shí)間。又如滿足成年人需求的Apple Watch，小米手環(huán)等產(chǎn)品，健康、娛樂(lè)是其產(chǎn)品的核心部分，無(wú)法照顧到安全功能的設(shè)計(jì)。上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)的報(bào)警按鍵暴露在表面，只有使用者點(diǎn)擊按鍵才能發(fā)送報(bào)警信號(hào)，報(bào)警方式單一，無(wú)法做到自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警。且設(shè)備使用時(shí)間維持在1～2周，待機(jī)能力一般，供電由一次性電池提供，對(duì)環(huán)境危害較大。

從隱形、便攜等方面綜合考慮，將防護(hù)模塊置于鞋內(nèi)更為有效。

在本文設(shè)計(jì)方案中，鞋內(nèi)報(bào)警模塊使用微充電電池與壓電陶瓷充電電路組成電源為設(shè)備供電。壓電陶瓷充電電路負(fù)責(zé)將使用者機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為電池充電，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。利用陀螺儀采集使用者狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)值改變幅度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，且Android設(shè)備與電子鞋脫離連接時(shí)，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警功能。但是鞋內(nèi)空間狹小，使用者在進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，可能會(huì)造成電子元器件的松動(dòng)，所以本文設(shè)計(jì)的電子鞋底部盡可能地少放置電子器件，報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)集中于Android手機(jī)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)主要由鞋內(nèi)報(bào)警模塊和Android報(bào)警APP兩個(gè)部分組成。報(bào)警模塊使用MSP430低功耗芯片作為控制核心，通過(guò)極低功耗藍(lán)牙4.0模塊與Android設(shè)備通信；使用陀螺儀收集使用者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)作為使用者是否倒地的依據(jù)；電源部分使用微型充電電池，搭配壓電陶瓷充電電路，將使用者走路時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并為電池充電，延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間；外部電路還提供一個(gè)按鍵，使用者用腳跟重壓該按鍵可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能如下：

APP在Android系統(tǒng)后臺(tái)開(kāi)啟一個(gè)線程與鞋內(nèi)報(bào)警模塊通過(guò)藍(lán)牙保持實(shí)時(shí)連接，如果連接意外中斷，APP每隔固定時(shí)間嘗試搜尋指定藍(lán)牙模塊，保證連接的正常。

使用者需要使用APP綁定一個(gè)或多個(gè)指定的郵箱和手機(jī)號(hào)，只有綁定成功才能使用系統(tǒng)報(bào)警功能，如果沒(méi)有綁定，APP會(huì)不斷彈出警告信息。

當(dāng)APP與報(bào)警模塊正常連接之后，APP在指定時(shí)間內(nèi)記錄用戶GPS位置，報(bào)警模塊通過(guò)陀螺儀搜集用戶狀態(tài)。觸發(fā)報(bào)警信號(hào)包括兩種情況：

1） 按鍵按下的事件超過(guò)報(bào)警閾值；

2） 用戶處于摔倒?fàn)顟B(tài)且APP與電子鞋脫離連接。當(dāng)滿足這兩個(gè)條件中的其中一個(gè)時(shí)，Android APP將會(huì)向指定的郵箱發(fā)送郵件，向綁定的聯(lián)系人發(fā)送短信，并撥打110報(bào)警電話。

2 電子鞋報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊硬件主要由以下5個(gè)部分組成：MSP430控制芯片；藍(lán)牙4.0通信模塊；MPU?6050陀螺儀模塊；壓電陶瓷充電電路與微型充電電池組成的電源供電模塊；報(bào)警按鍵。

選用德州儀器公司的MSP430作為控制芯片，主要是因?yàn)槠渚邆涞某凸奶匦?。在正常工作狀態(tài)下僅僅消耗1.2 mA，待機(jī)時(shí)功耗更是忽略不計(jì)。僅僅16 mm2的封裝，更有利于整個(gè)模塊的PCB設(shè)計(jì)[2]。藍(lán)牙4.0模塊同樣具備以往產(chǎn)品不具備的低功耗特性，其功耗[3]僅為前代產(chǎn)品藍(lán)牙3.0的[14]。

MPU?6050陀螺儀模塊自帶加速度傳感器，用于檢測(cè)使用者是否摔倒，該模塊通過(guò)陀螺儀、加速度傳感器不斷采集角速度和加速度，根據(jù)樸素貝葉斯算法推算出判定摔倒?fàn)顟B(tài)的閾值，從而有效地檢測(cè)摔倒事件的發(fā)生。陀螺儀電路如圖2所示[4]。

作為可穿戴設(shè)備，電源部分的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。模塊內(nèi)部摒棄了使用一次性紐扣電池作為模塊供電的方案，而是考慮到電子鞋相較于手環(huán)、手表等可穿戴設(shè)備的不同之處，特別地使用壓電陶瓷收集和轉(zhuǎn)化使用者移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能，再通過(guò)充電電路將轉(zhuǎn)化后得到的電能給電池充電。模塊內(nèi)部沒(méi)有使用一次性電池，對(duì)環(huán)境的保護(hù)也起到了積極的作用。值得注意的是，2片壓電陶瓷片并聯(lián)所產(chǎn)生的電量對(duì)于整個(gè)模塊的電量消耗是相當(dāng)微弱的，因此壓電陶瓷是輔助的電量提供者，作用僅僅是延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，而充電電池仍然需要摘下充電。報(bào)警按鍵通過(guò)弱上拉與MSP430相應(yīng)管腳連接，其安裝的位置為鞋跟部，使用者通過(guò)重壓鞋跟部超過(guò)設(shè)定的時(shí)間閾值，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)報(bào)警[5]。壓電陶瓷充電電路如圖3所示[6]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

模塊主要具備如下兩個(gè)主要功能。

1） 報(bào)警按鍵按下的時(shí)間超過(guò)報(bào)警時(shí)間閾值時(shí)，MSP430通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。時(shí)間閾值不是固定的，使用者可以根據(jù)自己的喜好通過(guò)APP更改設(shè)定，系統(tǒng)默認(rèn)的時(shí)間為3 s。

2） 陀螺儀檢測(cè)到使用者摔倒之后，MSP430控制芯片通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)發(fā)送用戶倒地信號(hào)。Android端接收到該信號(hào)之后，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，如果手機(jī)與電子鞋失去連接，將觸發(fā)報(bào)警功能。在使用者受到侵害時(shí)，倒地的幾率較大，因此將檢測(cè)使用者是否摔倒作為報(bào)警條件之一。陀螺儀通過(guò)采集使用者足部加速度和角度變化來(lái)判定使用者是否摔倒，文獻(xiàn)[7]提出，下軀干部位雖然質(zhì)量較為集中，但是活動(dòng)較多，運(yùn)動(dòng)過(guò)程與摔倒過(guò)程差別較小，不適合用于數(shù)據(jù)獲取。

但考慮到檢測(cè)摔倒并不是該系統(tǒng)的重點(diǎn)，對(duì)比表1～表3中的數(shù)據(jù)，行走?跑動(dòng)狀態(tài)與行走?摔倒兩個(gè)狀態(tài)獲取的加速度和角速度無(wú)大差異，但與行走?行走狀態(tài)之間的差異是巨大的。因此，如果使用者突然由相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×疫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)[8]，那么模塊會(huì)判定當(dāng)前處于摔倒?fàn)顟B(tài)，但APP接收到摔倒信號(hào)后并不直接完成報(bào)警行為，而是等到滿足Android設(shè)備與電子鞋失去連接這個(gè)條件時(shí)才會(huì)執(zhí)行相應(yīng)操作。加入兩個(gè)特定條件的判定，將大大減少系統(tǒng)的誤報(bào)率。

3 Android報(bào)警APP設(shè)計(jì)

APP接收電子鞋發(fā)來(lái)的信號(hào)，分析信號(hào)并做出相應(yīng)的行為。電子鞋發(fā)送的信號(hào)總共有兩種：一種是明確的報(bào)警信號(hào)；另一種是使用者摔倒信號(hào)。兩種信號(hào)的幀格式如表4所示。對(duì)于第一種信號(hào)，APP不做處理，直接進(jìn)行報(bào)警；第二種信號(hào)，APP先檢測(cè)當(dāng)前是否能夠連接到電子鞋，如果與電子鞋斷開(kāi)連接，則直接進(jìn)行報(bào)警。下面著重描述藍(lán)牙連接功能和報(bào)警行為功能的設(shè)計(jì)。

3.1 藍(lán)牙連接功能設(shè)計(jì)

電子鞋與APP通過(guò)藍(lán)牙連接，相互通信，一旦藍(lán)牙斷開(kāi)連接，報(bào)警設(shè)備將無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有功能，因此保證系統(tǒng)內(nèi)部的藍(lán)牙處于連接狀態(tài)顯得尤為重要。在APP中開(kāi)啟一個(gè)獨(dú)立的子線程，該線程定時(shí)采集當(dāng)前藍(lán)牙狀態(tài)[6]，當(dāng)電子鞋與APP連接中斷且沒(méi)有接收到摔倒信號(hào)時(shí)，Android設(shè)備作為藍(lán)牙主端，定時(shí)搜索周邊藍(lán)牙設(shè)備，并匹配指定的藍(lán)牙地址。如果匹配不成功的次數(shù)超過(guò)設(shè)定值上限（系統(tǒng)默認(rèn)為3）或者無(wú)法搜索到指定設(shè)備，那么系統(tǒng)認(rèn)定當(dāng)前電子鞋與Android設(shè)備脫離了連接范圍，將向綁定的聯(lián)系人發(fā)送設(shè)備丟失短信，以幫助使用者快速找到Android設(shè)備[9]。

3.2 報(bào)警功能設(shè)計(jì)

報(bào)警功能包含三個(gè)部分：向已綁定的聯(lián)系人發(fā)送短信，向已綁定的郵箱發(fā)送郵件，撥打110報(bào)警電話，三個(gè)行為依次執(zhí)行。首先，APP通過(guò)調(diào)用startIntent方法將包含有使用者當(dāng)前GPS位置信息的報(bào)警信息發(fā)送給指定的聯(lián)系人，如果短信發(fā)送失敗超過(guò)設(shè)定的次數(shù)（系統(tǒng)中默認(rèn)為3），那么就跳過(guò)該行為，轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一行為發(fā)送郵件，繼而是撥打報(bào)警電話[10]。報(bào)警流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試在南通大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，Android設(shè)備為魅族MX5。測(cè)試時(shí)已經(jīng)將所有模塊集成到長(zhǎng)8 mm，寬5 mm的PCB單層板中嵌入鞋內(nèi)部，打開(kāi)APP軟件連接電子鞋，設(shè)置相關(guān)選項(xiàng)后即完成初始化工作。硬件測(cè)試電路如圖5所示。

初始化工作完成后，依次測(cè)試APP GPS定位功能、短信發(fā)送功能、郵件發(fā)送功能和撥打報(bào)警電話。APP測(cè)試界面如圖6所示。

緊接著完成Android設(shè)備與電子鞋聯(lián)合調(diào)試。主要測(cè)試如下兩個(gè)功能：重壓鞋跟1 s，2 s，3 s，每個(gè)時(shí)間段測(cè)試15次，每個(gè)階段5次，接收?qǐng)?bào)警信號(hào)的成功率如表5所示。測(cè)試Android設(shè)備在接收到摔倒信號(hào)和沒(méi)接收到摔倒信號(hào)兩種前提下，脫離連接范圍時(shí)是否誤報(bào)，兩種情況每個(gè)測(cè)試15次，分為三個(gè)階段，每個(gè)階段測(cè)試5，APP誤報(bào)率如表6所示。

在無(wú)較強(qiáng)信號(hào)干擾的情況下，接收到報(bào)警信號(hào)成功率達(dá)到100%，APP誤報(bào)率為0%，APP能較好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷并完成相應(yīng)的功能，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具備低功耗，實(shí)時(shí)性和可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)易受到侵害的弱勢(shì)群體，本文設(shè)計(jì)了一套基于Android系統(tǒng)的可穿戴報(bào)警設(shè)備，該設(shè)備不斷檢測(cè)使用者當(dāng)前所處的狀態(tài)，特別是在使用者突然遇到危險(xiǎn)時(shí)，能及時(shí)有效地發(fā)送報(bào)警信號(hào)，為實(shí)施營(yíng)救贏得了寶貴的時(shí)間。在經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的測(cè)試后得出，該系統(tǒng)具備良好的低功耗、實(shí)時(shí)性和可靠性，識(shí)別危險(xiǎn)情況準(zhǔn)確，具備一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案榮獲全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用“三創(chuàng)”大賽創(chuàng)意設(shè)計(jì)組一等獎(jiǎng)。

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