一种新型老人跌倒报警助手设计

张 祥，张治航，盛士强，石雅文

（南京工程学院，南京 211100）

0 引言

目前老龄化现象严重，因为人口老龄化导致的问题层出不穷，虽然现在市场上也有一些类似的老人智能手表之类的产品，但其只能检测一些最基础的数据，其过于智能化，老人使用时会出现各种问题，而且价格不菲。而我们的设计不仅可以检测一些基础数据，并且可以对老人姿态进行判别，可以有效对老人跌倒进行报警，使老人得到及时治疗，对提高社会和经济效益起着至关重要的作用。

1 系统设计

本设计采用STM32单片机完成对整个设计的控制，另外搭载倾角传感器、心率传感器、北斗模块、温度传感器等实现对用户姿态，心率，位置，温度各方面身体数据以及姿态的监测，数据最终显示在OLED显示屏上，本设计最主要的单元是倾角传感器模块，根据设定的姿态角临界值和时间临界值，检测人体姿态角是否超过正常范围，从而判断老人姿态。姿态为跌倒时，GSM通信模块发送GPS定位信息以及老人姿态信息到监护人手机上实现及时救助，总体设计框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 单片机系统CPU选择

本设计采用STM32F103C8T6作为主控芯片，它主要完成数据采集，处理，输出，发送到PC端等功能，是整个产品正常高效率工作的基础。STM32F103C8系列的单片机搭载1个PWM定时器，还有2个12位的ADC和3个16位定时器。除此之外，它搭载的32位高性能ARMCortexM3RISC内核性能高，I/O端口众多，内置存储器速度快。基于以上这些优点，我们选择了此款单片机，这款单片机也是时下最热门的几款单片机之一。

2.2 ADXL345倾角传感器模块设计及临界值分析算法

现实生活中，一个人站立与跌倒时身体与地面夹角是不同的，人正常站立时，人与地面的夹角约为90°。但是当人跌倒时，人与地面的夹角最终约为0°。现在我们对人体与地面夹角的临界值进行分析，通过判定老人与地面的夹角是否超过我们设定的临界值判断人体是否跌倒。跌倒有多种情况：前跌倒、后跌倒、侧跌倒。我们对人体以腰部为原点，X轴是人体左手方向，Y轴垂直于人体向上，Z轴是人体前进方向建立人体坐标系，ax、ay、az分别表示ADXL345传感器采集到的3个方向的加速度值，根据这三个方向的加速度值，建立相应的数学立体模型，最终得出3个方向的姿态角。其中：

其中x0，y0，z0分别为x，y，z轴与地面的夹角；因为无论是前跌倒、后跌倒、侧跌倒，y轴都产生了巨大变化，所以我们对y轴与地面的夹角y0设置临界值进行判断人体的姿态，下面我们对向后倾倒状态下三个夹角进行测量，得出以下折线图如图2所示。根据图2，我们可以发现，人体倾倒时，y0和z0在短暂时间里发生巨大变化，从90°几乎变成0°，因此，我们将临界值设成45°进行姿态判别。

但我们考虑到现实生活中的弯腰捡东西、睡觉躺下等动作也会导致姿态角发生很大变化导致报警，为了防止误报警现象，我们再次对时间设置临界值。

算法分为以下几步：

（1）当检测到姿态角小于45°时，系统延时7秒，进行下一次检测。

（2）若再次检测姿态角没有小于45°，则不报警，反之则开始报警。

（3）若初步判定为跌倒状态，再次延时10秒，再次检测，若姿态角仍小于45°则通过GSM通信模块发送短信给监护人。

（4）最后继续监测姿态角，当姿态角过一段时间大于45°时，再次发信息告知监护人老人的情况，让监护人联系确认。

为了进一步防止误报，我们设置了一个清除按钮，即碰到一些例如弯腰时间比较长的情况报警时，老人可以在报警后10s内按清除按钮解除报警，这样系统不会发送信息。

图2 向后倾倒时姿态角变化

2.3 心率传感器模块

心率传感器的实现原理是光电容积法。当传感器的光束照射透过人体血管时，人体脉搏跳动导致血管容积发生微弱变化，最终改变这束光对血管的透光率，然后心率传感器通过内置的光电转换器接收人体皮肤组织反射的光线，最终将反射的光信号转变为可检测的电信号放大输出。因为心脏的搏动导致脉搏跟着心脏做周期性变化，最终血管容积也跟着做周期性变化，所以心率就是光电转换器的电信号变化周期。用户将手指放在传感器上就可以检测出自己的心率值。

2.4 ATK-SIM800C通信模块

ATK-SIM800C模块是ALIENTEK开发的一款高性能工业级GSM/GPRS模块，功能完善，适用于通信服务的各种领域，SIM800C模块与服务器建立通讯实现了真正意义上的物联网应用，它突破了Wi-Fi模块的距离局限和蓝牙模块的短距离传输瓶颈。该模块只要在有移动网络信号覆盖的环境下就能与控制端进行基于TCP/IP协议的点对点数据传输，从而实现不限距离的远程控制，它与GSM网络业务进行交互从而实现老人身体姿态数据的传输，从而让家人了解老人的姿态信息。

2.5 北斗模块

设计中采用的是北斗三代双模式系统模块。它采用卡尔曼滤波等优化算法实现其定位功能，它还融合多个GNS系统使其系统定位精度更高。它目前主要运用于交通导航、实时监控等领域，它的功耗低于其他同类产品、工作时间长、价格低、集成度高，尺寸较小，在要求环保节能领域应用更加广泛。它可以胜任各种复杂的环境，捕获与跟踪能力强，连续定位结果可靠。

2.6 DSB18B20温度传感器

DS18B20是一款单总线数字式温度传感器，结构简单，不需要外接电路，可用一根I/O数据线既供电又传输数据，性能优越。DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，当前5位为1时，读取的温度为负数；用户通过将传感器感温头放置在咯吱窝就能实时监测自己的温度。

3 软件设计

本设计，通过ADXL345检测老人是否摔倒，老人摔倒，蜂鸣器会报警，摔倒超过15S老人仍未站起来，单片机会通过GSM模块给所绑定的手机号进行发送提示短息，信息里有最近一次的GPS的定位信息以及老人的状态，判断跌倒流程图分别如图3所示：

图3 跌倒流程图

4 系统测试

我们对我们的设计进行了系统的测试，测试结果如表1所示。

表1 实验结果

分析：正常行走实验中，姿态角没有发生很大变化，在临界值范围内，故报警器未报警，快速坐下实验中，姿态角没有超过45°，均在临界值范围内，故报警器未报警。人体向后跌倒时，身体仅绕Z轴旋转，y0最终变为0°，远小于设定的临界值45°，报警器报警。准确率可以达到98%。

实物图如图4所示：

图4 实物图

5 结束语

本设计通过设置时间以及与地面夹角的临界值，加上相应的逻辑判断完成老人状态的判断，经过试验证明，本设计准确率高，能有效监测老人的身体数据以及判别老人的姿态，成本低，容易操作，在现代老人监护等领域有较广的应用前景。