基于加强版STC51芯片的跌倒报警腰带设计

张彤　吴兴旺　向阳　汪泽楠　刘雯

摘 要：该文介绍了STC15W4K32S4为主控芯片时，通过连接加速度传感器以及角度传感器，对人体运动状态进行实时检测。当机体出现跌倒情况时，触发语音播报模块，播放呼救信号以及播放家人联系方式，方便路人施救。为了减小测量误差以及达到产品普遍性效果，装置采用了常见的腰带外形。测试显示此外形设计在信息采集时，数据比较准确，符合高精度的目的。此外，在控制程序设计方面，加入了休眠程序，使得装置在未得到触发信号时，部分电路处于休眠状态，整个电路的功耗也明显下降。据所有的检测数据的统计结果显示，产品达到了预期的低功耗与高精度的目标，符合设计理念。

关键词：跌倒报警腰带 加速度检测 陀螺仪测角 语音播报

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（b）-0116-02

随着社会的飞速进步，生活节奏越来越快，现如今汽车的普及使得我们的生活更加便捷，同时随着生活水平的提高，老龄化现象越来越严重，现在老年人俨然已经成为一大群体。但是在现在这个车流混杂的交通环境下，老年人或行动不便人士的出行安全已经得到了越来越多的人的关注。基于现在的现实状况，设想通过简单的穿戴式设备来对使用者行动状态进行实时的检测，当使用者出现危险时，装置可以发出报警，引起周围路人的注意，为及时获得救助增加几率。那么如果产品设计为手持式或非穿戴式外形，由于老年人记忆力并不是很好，而且老年人或者身有残患人士本来行动就不方便，再额外地增加其他负重，只会起到负面作用。所以我们设计外形为卡扣式腰带，解决了上述问题，此外，卡扣式腰带更方便使用，因为老年人或者残疾人的身体原因，我们市面上的一些普通腰带对于他们来说是非常不理想的产品，因为他们很有可能不会使用。卡扣式腰带只需要一按就可以轻松打开或者扎好腰带，通过腰带的卡口的连接和摘除，来控制整个电路的闭合与断开，防止在使用者更换衣服时误警报。

1 硬件设计

1.1 控制电路

控制电路是STC15W4K32S4为主要核心芯片的单片机电路构成的，此芯片支持USB下载，且内置8路10位高速A/D转换器，转换模块位单片机接受电位器信息以及发射控制信号提供桥梁，电源模块为所有用电器件供电。

1.2 模块连接

（1）电源模块：3.7 V通用手机锂电池为整个系统供电。该类电池具有体积小、电容量可观且可以二次使用的特点，加载电路本身的低功耗电路，使得产品在一次充电情况下更长时间地为使用者服务。电路设计之初就留有电量信号指示灯和电池充电口，方便使用者对产品进行充电。使用可更换电池，其目的是在电池使用寿命到期或者出现损坏时，可以自行在市场上购买同型号电池进行更换。

（2）串口通信模块：CH340作为通信串口，与芯片的下载串口相连结，导入程序从而控制整个单片机的运行。

（3）加速度模块：使用ADXL345加速度模块作为检测模块，通过坐标轴的数据变化以及加速度的变化，与数据库中的安全范围作比对，若超出安全范围，则发送跌倒信号到主控芯片，作为第一层跌倒报警信号的检测关口。

（4）角度检测模块：SW520D陀螺仪传感器作为角度改变的接受模块，当该模块触发时，发送跌倒信号到主控芯片，作为第二层跌倒报警信号的检测关口。

2 程序设计

ADXL345加速度模块作为三维数据轴的数据监测端口，在初始时以测试者站立式行走或者正常活动状态下为安全状态，测定一个安全范围值，作为工作状态的正常值，即使用者未出现跌倒状态时的安全数据范围。当所测的数据超出我们设定的安全值，并且在一定的时间段内并没有恢复到安全值范围内时，ADXL345触发，发送给芯片高电平信号，传输第一层跌倒信号。此时读取SW520D陀螺仪传感器端口的信号，若此时SW520D同時输送高电平信号给芯片，那么芯片触发语音播报模块，播报呼救语音，在呼救语音播报完毕后，稍作间隔，播报家人联系方式。当使用者恢复站立状态或者人为地关闭仪器时，语音播报停止，但是整套系统仍然处于工作状态中，直到再次触发警报时，播报呼救语音。

在呼救语音播报时，鉴于路人因为对于讹诈的恐惧，或者施救匆忙而无法听清使用者家人联系方式，我们设置了循环语句播报，当一遍语音播报完毕，3 s以后，再次播报下一遍语音。

3 传输协议数据分析

电源模块为所有用电模块供电，当ADXL345接收到跌倒信号时，芯片从休眠状态中启动，若此时SW520D也接收到跌倒信号，芯片处理信号，若同时接收到两信号时间少于5 s，认为是传感器误触发；两传感器只在20 s以内时能够同时检测到信号，证明使用者已经自行站立，或者是未出现严重的摔倒现象；两信号同时接收时间在20 s以上，确认跌倒，触发报警装置，报警装置在呼救后，开始播报家人联系方式，播报3遍，并一直循环，直到两传感器均接收不到信号，或者是人为地断开警报开关，警报关闭。

4 结语

此款跌倒报警腰带的应用人群甚为广泛，不仅适用于老年人，身有残疾或因病而运动不便的人都可以使用，现在市场上有些许产品具有类似的功能，但是都是携带式产品，虽然功能会有所升级，但是在设计之初并没有考虑到使用者的实际使用状况，所以该产品所具有的先见之处就是将携带式产品改型为穿戴式，并且达到了低功耗的要求，可以更长时间地检测使用者的安全状况。据走访调查数据表明，大多数被采访者均对此产品的设计和用途非常感兴趣，同时也提出了很多不足之处，我们对部分意见进行了改进，使得产品更加迎合大众的使用需求。根据大家对此款产品的评价和较高期待度，预测在未来市场中，该产品的前景还是非常广阔的。

参考文献

[1] 孙泊，刘宇，庄涛，等.基于腰部加速度计的行走能耗建模实验研究[J].体育科学，2013（4）：36-41.

[2] 刘阳.基于加速度计的身体活动测量研究前沿[J].北京体育大学学报，2016（8）：66-73.

[3] 刘海东，郭亮，薛重飞，等.基于单片机的微小角度测量系统的研制[J].电脑知识与技术，2013（5X）：3406-3409.