基于智能手机的老年人跌倒报警器设计

 柳爱文，张利霞，孙力红，邱燕婷

 （北京联合大学，北京100101）

摘要：针对现有的老年人跌倒报警器携带不便，因漏报、误报频繁造成不必要的恐慌等，提出一种基于智能手机的老年人跌倒报警器。对报警器的原理、结构组成以及软件设计方面进行了论述，通过实验，报警器达到预期效果。

 关键词：智能手机；跌倒报警；加速度计；GSM

 中图分类号：TP273文章编号：1006 - 2394( 2016) 05 - 0041  - 03

0引言

 老年人摔倒现象时有发生，老年人跌倒带来的后果严重。因此，准确判断老年人发生危险，研究一种老年人跌倒报警器非常重要。基于上述要求，本文设计了一种基于智能手机的老年人跌倒报警器，内置的跌倒检测装置可以进行跌倒识别并快速报警，使用户及时得到医疗救助，降低跌倒对身体的伤害。跌倒检测装置采用加速度传感器、陀螺仪和GSM装置。

1  跌倒报警器研究现状

 现用的老年人跌倒报警装置是通过无线对讲系统研发的。它外观精美，自动化程度高，有很强的专业性。但是，设计者忽略了一个问题，因为大多数老年人使用现代化产品不熟练，随着视力、操作能力的下降，使用该设备有很大困难。另外，老年人跌倒以后，由于受到惊吓，再进行操作按钮、实施对讲，就更不现实。随着科学技术的发展，智能手机装备了较多的传感器和智能系统，为项目的成功研制提供了研究平台。利用智能手机进行跌倒检测是一个可行的且有很大推广潜力的技术，智能手机同时完成两个工作：跌倒检测和救助通信。这样不仅可以降低系统成本，实时监测人体活动，还可以结合GPS确定用户的跌倒位置。为亲属和医务人员迅速找到病人赢取时间。

 因此，基于智能手机的上述优点，本文设计了一种装置小巧，携带方便，通过手机发出呼救信号，并能位置定位的智能报警装置。

2跌倒报警器的工作原理

 老年人的跌倒是由于身体失去平衡所造成的。在跌倒的一瞬间，人体受重力的作用。人体跌倒时发生向下的加速度，其位姿态等相关量都会发生相应地变化。为了方便叙述人体在发生跌倒时的重力、加速度和姿态的变化，首先对人体特征进行假设。假设人体前后方为X轴，左右方为y轴，上下方向为Z轴。人在运动过程中，所携带的加速度传感器的坐标系随着人体姿势的改变而改变，当人跌倒时加速度的值由传感器直接输出，此时提取的加速度的变化过程具有跌倒特征。特征提取是识别的重要步骤，为了减少运算复杂性，消除不同时刻加速度输出值的坐标映射关系，先引入合加速度：

方向上的加速度。采用合加速度的优点在于将空间的加速度合为一矢量，在跌倒判断中就可以忽略跌倒的方向，因此无论跌倒行为发生时朝哪个方向都可以进行检测。

 检测到老年人跌倒了，需要想法通知到跌倒者的亲属。GSM作用是实时监测老年人的生活行动，提取老年人跌倒时的特征向量。无线采集系统以三轴加速度传感器、角度传感器为核心，将传感器测得的信号通过控制电路调理，进行编码产生无线信号发射到GSM发射控制器。

3系统硬件设计

 老年人跌倒报警器系统框图如图1所示，它由单片机、GSM通信模块、检测单元（加速度计、陀螺仪）、老年人亲属携带的手机及发射模块、亲属电话、专家电话等组成，完成对信号的检测、处理和传输、报警等功能。中心数据处理模块由单片机和GSM通信模块TC35i组成，对传感器检测到的信号进行处理和分析，同时完成现场和远程报警。

3.1  MC9S12G单片机最小系统

 以MC9S12 G128为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟电路、电源电路、复位电路、BDM接口。其中各个部分的功能如下：(1)时钟电路给单片机提供一个外接的16 MHz的石英晶振；(2)电源电路主要是给单片机提供SV电源；(3)复位电路在电压达到正常值时给单片机一个复位信号；(4) BDM接口让用户可以通过BDM头向单片机下载和调试程序。

3.2  GSM通信模块电路设计

 TC35i西门子工业GSM模块可以进行中文短信息的发送与接收，并且GSM模块的接口连接器与SIM卡的读卡器相连，天线连接器与SIM卡的天线相连接。TC35i的数据接口在单片机的命令下对数据进行双向传输，它支持Text和PDU格式的短消息业务。本文中可以利用TC35i模块向跌倒者亲属发送报警信息，让跌倒者亲属根据实际情况做相应处理。

3.3陀螺仪模块

 陀螺仪一般用来测量物体的旋转角速度，本报警器中共使用了两个ENC-03MB传感器，一个用于测量老年人日常人体前后站立角度，另一个用于测量侧向站立角度（防止老年侧向跌倒）。陀螺仪模块电路如图2所示。

3.4加速度计模块

 加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。考虑信号之间的相互兼容，采用飞思卡尔公司生产的加速度传感器。该系列的加速度计MMA8452传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小、质量轻。由于加速度计与陀螺仪共同使用，这样能更好地检测出老年人的活动规律和各种行进动作。图3是两者结合的结构图，图中0为加法器，+为正端引人口，一为负端引入口。通过调整卡尔曼的系数可以有效地区别假摔现象，避免无谓的恐慌。

3.5无线通信模块电路设计

 该模块选用PSoC 27443芯片，实现无线通信。图4为无线遥控器电路图。无线模块选择CYRF7936，端口采用编程排针，方便元器件发生问题时及时更换。

4  系统软件设计

4.1  主要程序

 系统软件部分主要包括：GSM通信模块、无线遥控模块以及传感器模块。由程序流程图5可知，首先需要进行初始化，初始化成功之后，再检测是否有车主发送短消息，如果有，则根据车主的指示执行相应地操作；如果没有，则检测遥控信号，若有遥控信号，则根据指示做进一步地处理；如果没有，则检测是否有传感器信号，若有，则根据信号进行相应地操作；如果没有，则返回初始状态，进行下一次地检测，如此循环往复。主程序流程图如图5所示。

4.2短信息的编码解析

 目前，短消息模式主要有Text模式和协议数据单元PDU( protocol data unit)模式。使用Text模式收发短信代码简单，实现起来比较容易，但缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持英文短信，也能发送中文短信。PDU模式收发短信可以使用3种编码方式：

 (1)7- bit编码用于发送普通的ASCII字符；

 (2)8- bit编码通常用于发送数据消息；

 (3) UCS2编码用于发送16位Unicode字符。

 为了支持中文短信的收发，本系统采用PDU编码模式。

4.3接收短信息解码

 接收短信：SMSC号码是+86138XXXXXXX，对方号码是15#########，消息内容是“%%”。

 第1步：收到短信通知：+ CMTI:“SM”，&&(&&表示短信息在SIM卡中的存储位置)；

 第2步：给出读短信命令：AT +CMGR=##；

 第3步：收到：%%。

5实验

 为了验证设计的有效性，搭建了实验样机，实验次数为40次，其中跌倒20次，干扰20次，样机报警21次，其中真正跌倒报警19次，干扰报警2次。通过对样机进行实验说明了样机的有效性。尽管样机能够在一定程度说明报警器的有效性，但还存在一定的欠缺：1)没有直接开发智能手机内部的加速度传感器和陀螺仪；2）由于产品样本较少，还需要更多实验才能说明问题。

6结束语

 本文针对老年人摔倒后果的严重性，提出一种基于老年人跌倒的报警器，为抢救赢取时间。由于结合了现代智能手机，报警器具有装置小巧、携带方便的特点，适用于经常单独活动的老年人。它采用情景记忆方法控制，智能化高，定制性强，有着非常广泛的应用前景和广阔的市场。