老年多功能机的设计与实现

谢双璐　魏永　柴昊

摘要：老年多功能机主要由屏幕显示、CPU主控器、GSM、ADXL345加速度模块、MP3等模块组成。系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制和计算芯片，采用加速度模块检测老人运动加速度的变化，判断是否摔倒并通过GSM模块发短信通知监护人。系统设计电路简洁，同时兼具摔倒检测、脉搏检测、GSM短信发送、MP3音乐播放、拨打电话等功能，易于携带，具有很大的实用性，是一款专门为老年人设计的多功能监护设备。

关键词： STC12C5A60S2单片机；ADXL345；GSM；摔倒

一、绪论

老龄化问题是全球性问题，老年人的监护己成为社会研究的热点问题，近年来中国的人口老年人占据了很大的比例，到2025年以后我国的老龄将达到一个高峰期，老年人的监护就成了一個问题。越来越多的组织和科研机构致力于研究老人多功能机即老人监护系统，其研究成果大致归纳为以下几类：基于多传感设备的生活环境监测系统、基于可穿戴设备的生理参数采集系统、基于智能终端的跌倒检测系统以及基于计算机视觉的监护系统，往往造价较高，而本项目采用常用STC12C5A60S2单片机，重点针对老年人摔倒情况进行检测并采用GSM短信方式通知家人，重点解决老人跌倒后无人问津的问题，及时让老人得到救助。

二、系统硬件设计

本系统主要由MCU主控模块、摔倒检测模块、GSM通信模块、音乐播放模块、脉搏检测模块、液晶屏幕显示模块组成。主控模块采用STC12C5A60S2单片机组成的CPU模块的控制和计算。摔倒检测模块采用ADXL345三轴加速度芯片采集加速度变化参数，通过计算判断老人是否摔倒然后通过GSM通信模块发短信通知监护人。音乐播放模块采用MP3芯片储备娱乐相关内容并进行切换和音量的调整。液晶屏显示模块除了可以显示日期之外也可显示单片机采集和处理过脉搏、音乐等各功能模块采集数据（整体框图如图1所示）。

GSM通信模块，采用SIM900A集成的模块，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。尺寸不超过3MM，外观精巧，方便携带。

脉搏检测模块电路由光电传感器、信号处理、数码显示、电源等部分组成。随着心脏的跳动，人体血管中血液的流量发生变化，红外接收管的电流也跟着改变，并输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，MCU对输入的脉冲信号进行计算处理后存储并通过液晶显示电路显示。

在设计过程中为了减弱由一块STC12C5A60S2作为MCU带来的运行速度过慢以及大大影响到在前文提到的摔倒检测功能、脉搏检测功能等核心功能的正常运行，于是本产品采用两块STC12C5A60S2 其中一块主要使用串口与ADXL345，从而保证摔倒检测功能、脉搏检测功能等核心功能的正常运行。剩下的一块作为CPU控制本产品的整体的合理稳定的运行，系统扩展性较强可以添加过温报警，偷窃报警等外设功能电路。

三、系统软件设设计

多功能老年机中采用ADXL345与单片机之间是通过IO口模拟的I2C来通信。单片机采用STC12C5A60S2单片机，其通过不停的检测ADXL345模块，检测老年人加速度的变化，在结合三轴加速度跌倒检测算法，判断老人是否跌倒。通过检测加速度，根据公式算出角度变化量，检测振荡动作进行检测摔倒判断。其程序流程图如图2所示：

四、结语

该设计以采用三轴加速度跌倒检测算法和GSM短信发送，利用常用单片机和光电脉搏检测，进行了老年机的设计和开发，设计电路简介轻巧，集成了娱乐、脉搏检测、跌倒检测和短信发送功能，在进行跌倒报警功能的基础上兼具了脉搏显示、音乐播放等功能，在一定程度上满足了老人的护理要求。

参考文献：

[1]王佐勋，等.单片机原理与应用[M].西安电子科技大学出版社，2017.

[2]刘克刚.复杂电子系统设计与实践[M].电子工业出版社，2010.

[3]高晓娟，等.基于加速度特征的人体跌倒检测算法[J].西安工程大学学报，2015，29（1）：9094.

项目：本文系国家级大学生创新创业项目 “老年多功能机设计”（项目编号：201713998005）阶段性研究成果