基于GPS定位的老人跌倒提醒系统设计

李云强，黄宪通

(南阳理工学院信息工程学院 河南 南阳 473004)

我国人口老龄化趋势逐渐明显，如何保障老年人的身体健康和人身安全逐渐成为不可忽视的社会问题。老年人跌倒带来的伤害不仅与跌倒时的撞击程度有关，还取决于能否及时送医治疗。因此能实现实时监测老年人状态，并在跌倒时及时向家人发出求救信号，使摔倒老人及时得到救助治疗，能最大限度地降低跌倒对老人身体带来的伤害。相关领域的研究者就防止老人跌倒系统展开了大量研究。文献[1]从护理老人的角度出发，设计并研发了穿戴式防跌倒设备，但该防跌倒设备的误报率较高；还有的研究者开发出了防跌倒的医用座椅[2]，文献[3-6]讨论了判断防跌倒的主要技术手段，并结合实际情况开发出了对应的产品，但系统相对复杂，且无法实现定位及短信提醒等功能。

结合现实需求，利用现有的传感器和微处理器技术开发一款能在老人跌倒时能及时提醒并定位的可智能穿戴系统，对降低老年人的跌倒伤害有重要的现实意义。

1 系统总体设计

1.1 跌倒检测原理

跌倒检测时，需对常见动作进行分类：走路、跑步、坐下、躺下、起立以及跌倒等。区分跌倒和正常活动的主要指标是活动时的加速度变化，目前国内外的研究中，大部分采用向量模SVM (magnitude of signal vector，SVM)[4]作为特征量进行判定，其定义为

(1)

SVM的阈值能很好地区分人体的运动轨迹，但在一些激烈运动等特殊情况，会产生一定的误差，为了减小这个误差，选择身体失去平衡时加速度方向与竖直方向的夹角θ为辅助判断。根据坐标分析，角的计算公式为

(2)

角度θ取值范围为(-90°，90°)，当θ在0°附近波动时，可判定为站立或正常行走；当θ在±90°附近波动时，判定为跌倒，可认为在跌倒过程中θ角从0°增加到±90°的。重力加速度阈值Tgravity、运动状态阈值Tsvm和角度阈值Tangle在满足阈值条件时会发出警报信号。

1.2 系统总体设计

结合上述分析，系统总体设计如图1所示。主要由：主控核心模块STC12C5A60S2单片机+ADXL345三轴倾角模块+GPS定位模块+GSM模块SIM900A电路+按键取消报警+电源电路、气囊保护和蜂鸣器报警等组成。各功能模块均由电源模块进行供电。

ADXL345[7，8]三轴倾角传感器，实时检测老人的行走状态，判断老人是否跌倒。一旦ADXL345传感器检测到老人跌倒，且跌倒的时间超过15 s(延时15 s，确定老人15 s内是否跌倒未站立)；GPS模块VK2828U7G5LF实时定位老人的位置信息，GSM模块SIM900A实现短信的自动发送，向设定的监护人手机号码发出求救信号和包含具体经纬度的位置短信，同时蜂鸣器鸣叫报警提醒周围的行人提供帮忙。

考虑到对老年人的保护，增加了继电器模块控制安全气囊，减少跌倒造成的伤害。如果老人没有跌倒，产生误报警，则可通过按键消除报警信号。

2 硬件电路设计

系统各模块的硬件电路及引脚连接，如图2所示。

2.1 STC12C5A60S2单片机模块

处理器方面可选择Arduino单片机、Cortex-M3处理器[9]等。但51内核的STC12C5A60S2单片机作为主控制器核心，较一般51系列单片机时钟频率更高，同样的工作频率，速度是普通8051的8～12倍，有更多的串口、中断和时钟信号可供选择，性价比高，适用性强，可以满足系统的需求。如图2(a)所示，共有40个引脚。

2.2 ADXL345模块

ADXL345作为一种3轴加速度计，拥有13位的分辨率，测量范围达16g，能够测量出1的倾斜，能满足本设计测量精度的要求。其内部结构组成，如图3所示。可通过SPI或I2C(Inter Integrate Circuit BUS)接口对ADXL345进行数据访问。

图2 各芯片硬件结构及引脚连接图

图3 ADXL内部结构组成

主控芯片使用I2C方式与ADXL345通信。I2C总线采用一条串行时钟线(SCL)和一条数据线(SDA)实现全双工同步数据传送，如图2(b)所示，SCL和SDL分别与P34/P35相连，SDO不用连接。

2.3 GPS模块(VK2828U7G5LF)

GPS模块采用VK2828U7G5LF芯片，用来定位跌倒老人的地理位置坐标，位置坐标以手机短信的方式发给老人的监护人。

GSM模块硬件引脚连接，如图2(c)所示，通过串口与单片机通信，RX/TX分别与P13、P12相连。加电后自动搜索卫星进行定位，当芯片的绿灯指示灯闪烁时，它就开始实时定位，并获得时间、位置信息等定位数据。

2.4 GSM模块

SIM900A芯片以发短信的方式实现家人提醒的功能。SIM900A是一款工业级双频GSM/GPRS模块，它的引脚结构如图4所示。已集成好GSM相关的电路、协议等，通过串口与单片机相连接，通过串口发送标准的AT命令可以控制它和远程服务平台的数据传输，实现收发短信等功能。SIM900A可应用于语音燃气报警[10]、车辆碰撞报警器[11]、车载通信系统[12]、可穿戴健康监测[13]等各方面，具有较高的可靠性和安全性。

图4 SIM900引脚结构图

如图2(d)所示 ，本设计中SIM900A的TXD和RXD分别连接到STC12C5A的P3.0和P3.1即可。

2.5 安全气囊模块

P21引脚连接继电器模块，如图2(f)所示，通过继电器控制安全气囊，安全气囊及整个系统可直接穿戴在腰间，采用筒状烟火式气体发生器进行气囊充气，气体将腰间的气囊瞬间展开，保护人体。

2.6 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块由无源蜂鸣器和驱动三极管等组成[14]，如图2(e)所示，有3个引脚：VCC、 I/O(触发端)和GND。 I/O端连接STC单片机的P20引脚，利用正弦波产生如同汽车报警器的提示声音。

3 系统软件设计

系统软件程序流程，主要包括：主处理器芯片初始化、ADXL345数据采集程序，GPS定位数据发送和接收程序、GSM短信收发程序、警报报警及其他相关函数。各个分模块采用C51语言单独编写程序，留出接口供其他模块调用，最后多个模块进行组合调试[15，16]，系统的主程序工作流程，如图5所示。

图5 系统主程序工作流程

系统软硬件设计完成之后，就可以进行系统的测试和结果的调试。

4 系统实物及测试

根据图2的电路引脚设计，连好各个芯片并上电后，系统即可正常工作，图6即为处于静止状态下的防跌倒提醒系统实物图。

图6 系统硬件实物

为了正确发送短信，首先要设置监护人手机(接收短信)的号码，通过手机短信指令设置，手机编辑短信PHONE SMS：A(A为SIM卡上短信发送号码，此处为：18985753871)发送给插在GSM模块上的SIM电话卡。接收完成后会反馈“SET END”表示设置成功，手机界面截图如图7所示。

图7 接收号码设置成功截图

接下来，按照正常站立(初始化，正常行走)、老人跌倒和自行站起，3种情况分别进行系统测试。

4.1 正常行走状态

接通电源，GSM模块的SIM900A开始寻找信号(1 s一闪)。搜索信号完成变为2 s一闪。GPS模块VK2828U7G5LF背面绿灯闪烁，表明GPS信号定位完成。ADXL345模块灯长亮，各芯片亮灯，表明工作正常，系统板子直立放置即为正常站立状态。

4.2 老人跌倒测试

倾倒板子来模拟老人跌倒后的状态，如图8(a)所示，ADXL345检测到的板子倾倒信号，通过单片机代码指令，继电器此时熄合，红色指示灯常亮。当倾倒15 s以后仍未树立起来后，蜂鸣器开始报警，并且GSM模块发送报警短信到监护人手机上，如图8(b)所示。

图8 跌倒状态模拟及手机短信接收

4.3 老人自行站起测试

当老人站起来时，报警蜂鸣器报警取消，继电器红灯熄灭，如图9(a)所示，GSM模块发送“老人已站起来了，请打电话确认情况”，短信到监护人手机上如图9(b)所示，通过手机短信内容，可见老人所在的位置为：经纬度112.55886，32.96777，通过百度地图知当前跌倒位置：南阳市宛城区高新产业集聚区附近，如图10所示。

图9 站起状态模拟测试及手机短信接收

图10 跌倒位置地图信息

5 结 论

本设计实现了一个基于智能手机的老年人跌倒检测系统，实现了跌倒检测、定位和发送报警短信功能。系统采用阈值算法进行跌倒检测，通过GPS定位和移动通信基站定位相结合的方式进行定位，在判定跌倒时使用按键或提醒短信和特定监护人进行沟通，减小了误判的机率。经检测系统运行稳定，准确判断率较高。使跌倒者获得及时的救助，有较高的推广应用价值。

本设计使用新一代通信芯片SIM900A，综合GPRS/GSM短信提醒、GPS定位和安全气囊防护等功能，具有体积小、功耗低等显著特点，能够实现数据远程收发与全球定位，达到了便捷方便监测老人是否跌倒并报警提醒的目的，使跌倒的老年人迅速及时得到提醒和救助，从而保障老年人的生命安全。相比其他设计性能有较大提升，一定程度上弥补了现存技术不足的问题。