基于人身安全防护的智能手环的研究

吴玉仓，刘军峰，王继红

（郑州科技学院，河南 郑州 450000）

引言

现代社会，随着人们物质层面的极大丰富，人们开始追求健康的身体以及安全的生活环境，二者缺一不可，但是即使我国的生活环境已经极为安全，犯罪率依然是高居不下，特别是个人出行，危险率更是大大增高，尤其在近几年暑假期间曝光的女大学生失踪案件更是让人触目惊心。另外，社会中孩子失踪苦苦搜寻难得线索、老人摔倒无人救助直至死亡的案件屡见不鲜，为此，我们利用现有的成熟普遍的技术，设计出一款用户定位为孩子、老人、女性等弱势群体的人身防护安全智能手环。智能手环在当代社会中已经是极为普遍，而且手环的技术发展也是极为先进，但是现在的智能手环主要专注的方面在于日常的运动、睡眠以及人体生理方面数据的采集和分析，而市面上专注于人身安全的智能手环的产品可谓是少之又少。文中设计的智能手环具备在侵害发生时能够有效阻止伤害扩大、帮助受害者争取逃脱机会、及时发出求助信号并提供精确的地理位置信息等重要救援线索的功能。

1　研究的目的和意义

市面上为数不多的便携式报警设备很少是基于穿戴式的，因此此类设备面临的一大问题即是如何确保不被当事人遗忘，在遇到危险地情况下，报警设备能够在受害者旁边并能够及时报警。

其次，当前的大部分的便携式报警设备均为主动报警，但是若受害人失去主动报警能力，则此类报警设备则失去了最终报警的功能。

最后，一些基于传感器的便携式报警设备由于方式单一，不免会出现误报警的状况，会给警务人员造成一些不必要的困扰。

因此，一个便携式可穿戴且具备主动报警和被动报警双重功能的报警设备在此类情况下显得尤为重要，能够为个人的人身安全提供一个有力的保障。

2　系统方案设计

2.1　功能模块设计

此设计主要是由智能手环的主机模块、信息采集模块、定位模块、人工操纵模块，LCD显示模块和防卫模块组成。

主机模块主要对采集到的信息进行分析整理、筛选以及对异常信息的匹配工作，同时在发现异常情况时对信息进行确认，进行双重确认并报警，同时向定位模块发出请求信号并将定位模块回执的位置信息及使用者的求救信号发送至预设联系人。

信息采集模块采用速度传感器和陀螺仪两个方向同时对信息进行采集，确保信息的正确性，避免因模块失灵发生误报警或者不报警的情况，同时信息采集模块实时将使用者的身体状态信息发送至主机模块，使主机模块对使用者的身体状态进行实时分析，保证报警信息的及时性。

定位模块主要采用GPS定位功能模块，在主机模块确认报警时将使用者当前所处的经纬度信息以及位置信息反馈给主机模块，以便主机模块报警的准确性，同时定位模块记录使用者的行进轨迹并发送至主机模块进行保存，便于使用者更快的得到救援。

人工操纵模块可直接向主机发出信号并报警，同时人工操纵模块可以调试手环进入安全模式，在安全模式下，手环不会发出报警，但是每隔15分钟，手环会询问使用者是否退出安全模式，防止使用者遗忘关闭安全模式而发生遗漏报警的情况。

OLED显示模块主要用来显示人机交互情况。

防卫模块主要由爆闪灯和蜂鸣器构成，在人工操纵模块的操纵下，发出防卫和提醒信息。

信息采集模块、定位模块和主机模块主要由蓝牙 4.0通信技术进行信息的传递。

模块功能如图1所示：

图1　

2.2　主要功能设计

2.2.1防止伤害扩大

手环硬件表面上安装有可爆闪的LED灯，比如在夜晚，使用者遭到不法分子的危害时，通过人工操纵模块中的LED爆闪灯开关开启爆闪灯，使其对准施害者眼睛，可使施害者眼睛短时间失明，为其争取到逃脱时间。

同时，在爆闪灯启动时借助蜂鸣器发出刺耳的报警音，引起周围人的注意，以此震慑施害者，在逃脱的时候可以选择关闭蜂鸣器，避免逃脱后位置暴露，使施害者继续追踪。

2.2.2求助报警

在非安全模式下，当主机模块检测到信息采集模块发送的信息异常或者人工操纵模块直接发出报警信息时，主机模块通过蓝牙想手机发出报警所包含的求助信息、位置信息等。同时位置发生变化时，主机模块记录使用者位置移动轨迹信息，并通过蓝牙与手机连接每隔2分钟向预设联系人发送一次位置信息，以便更快和更准确的获得帮助。

同时，在主机模块中设置3个预设联系人，主机模块与每个联系人之间设有互动，若第一联系人在2分钟内没有对求助信息进行回复，主机模块则依次向其他联系人发送求助信息，若预设联系人均不回复，主机模块则通过报警短信向警察进行报警。

2.2.3防误触功能

防误触功能主要针对人工操纵报警模块，防止在使用者不经意的情况下发生假报警的情况。方法是在手环的硬件设计上放置两个报警开关只有两个报警开关同时按下，主机才会响应，启动报警功能。

3　系统硬件设计

主控芯片：采用了CC2541主控芯片，该芯片可编程的以蓝牙4.0为通信的增强型超低功耗的芯片，应用在手环中可大大提高手环的续航能力；同时CC2541芯片具备了较高的传输速率和出色的接受灵敏度，为手环求助报警的实时性提供了可靠的硬件支持。

电源模块：用 AMS117-3.3稳压芯片输出 3.3V电压为整个系统供电，AMS1117-3.3的输入电压为4.75V～15V，选用5V可充电聚合物锂电池（550m A）做输入。

防卫模块：贴片蜂鸣器电路负责警报，采用贴片有效降低了手环的体积；大功率1W 手机贴片LED，采用高频闪电路对LED的频闪和亮度进行有效的控制，在光线较暗的情况下正对人眼使用可以使人短时间致盲。

显示模块：主要采用0.5吋OLED液晶显示屏显示蓝牙连接情况，电量和模式情况。

按键模块：手环侧安装贴片按键模块，主要用来进行报警、防卫和模式转换。

其他模块：模拟电路 ADC检测模块；电量检测模块；程序下载模块等。

4　软件设计

在手环与手机初次连接或者断开连接后的再次连接时，主机模块会检测手机与手环之间的蓝牙设备是否连接成功，若连接成功则其余各模块开始工作，若没有连接成功或者断开连接，则主机模块会通过OLED显示屏告知使用者，并重新扫描设备进行重新连接，直至连接成功。

图2　手环开启后初始功能流程图

手环在硬件设计中设有安全模式按键负责手环的安全模式。在安全模式下，除了OLED显示模块和主机模块正常工作外，其他模块均进入休眠状态，在降低能耗的同时也大大降低了误报警的可能性。

图3　报警方法流程设计图

在非安全模式下，主机通过芯片中的程序设计对外部传感器检测到的数据进行分析，在满足报警条件的情况下操纵报警模块工作，同时接受定位系统发送的信息并对其进行编码，以便进行信息的传输。

5　实验测试数据

为了检验手环的报警准确性，我们需要进行手臂摆动实验和模拟摔倒实验，进行手臂摆动实验的原因是现实中在人遇到紧急情况且具有逃脱能力时，迅速跑步远离危险时人们能选择的最佳办法，在跑步过程中手臂的摆动是不可避免的，其次，这也是手环检测危险情况的一种方法，进行模拟摔倒实验则是模拟使用者被暴力击倒的情况。

我们分找了1名男性和1名女性分别进行了每人分别对每个实验项目进行了六次实验并记录实验数据和结果如下：

表2　男生实验数据表

注：手臂轻微摆动和人正常走路幅度一致，中度摆动模拟正常跑步，剧烈摆动模拟跑步冲刺时手臂摆动速度和幅度。缓慢摔倒则是模拟人正常睡眠的躺下速度，迅速摔倒则是模拟人直接摔倒的情况。

根据以上两表的实验数据可以表明手环的几乎不会出现误报警的情况，但是可能在手臂摆动幅度和摔倒速度不满足某些条件时，可能会发生不报警的情况，但是这种情况主要出现在女生当中，因此在后期的调整中应该增加手环中的传感器的灵敏度，以便出现不报警的情况，避免危险发生时，不能及时发出求助信息。

6　总结

在本设计中，利用了现有智能手环领域的成熟技术，改变了固有智能运动手环的设计思想，并将成熟的人体运动检测技术添加到设计当中，使整个产品设计思想专注于人身安全。在防护人身安全方面，本设计更是在提供求助报警的基础上，加入了主动防护的功能，同时，双重检测功能和防误触功能的设计大大提高了智能安全手环防护功能的可靠性，这些也正是本设计的创新之处。

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