基于物联网技术的老年人防走丢与摔倒警报系统的设计及实现

朱钰龙，胡宸凤，窦研哲，肖 凡

（华北电力大学，北京 102200）

0 引 言

2019年6月，由中国老年学和老年医学学会老龄传播分会、中国疾控中心慢病中心、国家卫健委北京老年医学研究所等七家机构联合发布《老年人防跌倒联合提示》，呼吁全社会从强化老年人个人意识、促进居家适老化改造等方面努力，重视跌倒对老年人健康和生命造成的严重威胁。

世面上诸多基于GPS接收模块的产品，如GPS智能手机、车载GPS导航等，虽然功能丰富，如带有可视化地图等，但成本过高，并不适合老年用户群体。

倾斜角检测法是最常见的摔倒检测方法之一，但因为现有倾斜角传感器的局限性，设备必须以特定或几种方式放置，在成本控制方面存在一定的局限性。

本文研发的老年人防走丢与摔倒警报系统（以下简称系统）能实现GPS定位经纬度显示和摔倒检测，还具有通过手机短信收发位置、语音播报请求帮忙等功能。

1 系统整体方案设计

1.1 系统的理念设计

通过走访养老机构、有老人的家庭、老人独居家庭，调查了老人对于现有智能设备的担心和平均每天使用智能设备的时间，结果如图1和图2所示。

图1 老人对于现有智能设备担心的问题

图2 平均每天使用智能设备的时间

由此我们可以得出结论：老年人无法付出过多的学习成本，他们需要的仅仅是能够简单实现所需功能的“一体机”，并且他们很看重设备的花费和易损程度。由于很少有老年人能熟练使用智能手机等设备，对于老年人的“万物互联”，终端只能是他们的儿女和监护人。

1.2 硬件与软件的要点设计

硬件：STM32系列单片机是32位单片机，处理速度相对较快。本次设计综合考虑人机交互需求，采用LCD1602显示器作为系统的人机交互设备，以实现系统的数据量显示。摔倒检测模块选用配有SW-18015P振动传感器的模块。

软件：采用C语言编写程序。分模块编写程序，将子程序模块编写完成之后进行整体程序功能的逻辑设计，使程序具有较高的移植性和扩展性。

设备整体功能结构如图3所示。

图3 设备整体功能结构

1.2.1 单片机的选择

STC系列单片机：STC单片机外设简单，只需正确搭建最小系统单片机就可以正常工作。寄存器与I/O管脚操作相对简单。

STM32系列单片机：STM32系列单片机在消费领域的应用非常普遍。STM32系列单片机是32位单片机，处理速度相对较快。STM32系列单片机采用ARM内核架构，处理速度进一步得到优化。

树莓派系统：树莓派具有优秀的网络功能，拥有高规格的存储和运算能力，但这些功能对于受众群体而言过于冗余。树莓派的硬件构成较为复杂，价格相对传统的单片机更昂贵。

综合考虑，本系统采用STM32系列单片机实现相关功能，完成最小系统与外围设备的搭建与调试。

1.2.2 显示电路的选择

系统选用LCD1602显示屏实现人机界面交互。LCD1602具有背光LED，使得显示更加清晰。LCD1602液晶显示屏可以显示2行英文字符或者数字，每一行可显示16位数。LCD1602液晶显示屏采用并行串口控制，数据显示与刷新速度较快。LCD1602显示数据量相对较大，显示结果较清晰，但不适用于寒冷环境。

1.2.3 传感器的选择

倾斜角传感器：该传感器可进行角度测量、角速度测量和角加速度测量。因设备置放角度随机，无法通过角度进行摔倒检测。考虑到人体各部分角速度有区别，加之用户运动状态的不同，如果要对摔倒进行精确的定义和检测，可能会出现算法过于复杂、STM32单片机无法承载的情况。再者，市面上常见的倾斜角传感器通常对于放置方向有限制，会加大用户操作的困难程度，产生额外的学习成本和时间花销，不符合设备受众的需求。

振动传感器：选用配有SW-18015P振动传感器的模块。SW-18015P是一种密封弹簧式、非定向振动感应触发开关，其相较于倾斜角模块的优势在于，可任意角度触发。SW-18015P寿命长，正常情况下可开关达20万次。弹簧为不锈钢线或磷铜线材质，不易损坏。在多次调查走访养老机构后发现，老年人只有在摔倒等情况下SW-18015P才会振动。同时，还可以通过更换传感器弹簧的材质，以有效调节传感器的灵敏度，也可以通过电路板上的电位器调整触发阈值。

2 系统模块的实现

2.1 单片机及其主控

STM32单片机寄存器相对于其他单片机较多，开发模式分别是寄存器版本开发、库函数版本开发。本研究同时使用了两种开发方式。本系统的主控选用STM32F103C8T6。

2.2 显示电路

LCD1602液晶显示屏是比较常用的显示器件，一共可以显示两行信息，尺寸如图4所示。本系统选择具有背光的LCD1602显示数据，基于未来使用场景，可以做拆卸处理。

图4 LCD1602尺寸图

LCD1602液晶电路原理如图5所示。

图5 LCD1602液晶电路

GPS模块实物与接口电路如图6所示。LCD1602液晶显示屏的管脚与单片机采用网络标号形式连接，是10 kΩ的可调电阻，通过调节可调电阻实现LCD1602液晶显示屏的对比度调节。LCD1602的D7～D0引脚是并行数据接口，与单片机的P0口连接。背光灯接入5 V与GND管脚间，实现上电屏幕的背光屏幕常亮。LCD1602的E引脚连接单片机的P2.5引脚，R/W引脚连接单片机的P2.6引脚，RS连接单片机的P2.7引脚。

图6 GPS模块实物与接口电路

LCD1602液晶显示屏会对数据实现“忙”检测，当“不忙”时可以进行数据的写入操作，通过引脚间的程序协调实现数据显示。LCD1602会实时判断RS引脚输入的指令，通过判断模块写入相应数据，或者写入相应指令。当LCD1602的E引脚给出高电平时，LCD1602会将得到的信息传递给液晶控制系统，实现相应的写操作。

2.3 GPS定位模块

RTCM标准协议是美国国家海洋电子协会（MNEA）为海用电子设备制定的标准格式，现在演变为GPS导航设备统一使用的RTCM标准协议。NMEA-0183协议采用ASCII码传递GPS定位信息，帧的格式即为协议内容，通过串口以字节的形式传送。

GPS定位信息语句的基本格式如下：

（1）UTC时间格式为时、分、秒、毫秒；

（2）纬度的格式为度、分；

（3）纬度半球为北纬或南纬；

（4）经度的格式为度、分；

（5）经度半球为东经或西经；

（6）GPS状态中，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位；

（7）正在使用的用于定位的卫星数量为00～12；

（8）HDOP水平精确度因子为0.5～99.9；

（9）海拔高度为-9 999.9～9 999.9 m；

（10）大地水准面高度为-9 999.9～9 999.9 m；

（11）差分时间，即从最近一次接收到差分信号开始的时间，非差分定位，此项为空；

（12）差分参考基站标号为0000～1023，首位0也将传送，非差分定位，此项为空。

2.4 GSM短信模块

GSM通信模块是数据传输的通信核心。SIM800A可以快速、安全、可靠地实现系统方案中数据、语音传输及短消息服务（Short Message Service）和传真。

SIM800A是紧凑型、高可靠的无线模块，采用了SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案与功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求，通过AT命令控制（GSM07.07，07.05和增强AT命令）。图7所示为SIM900A模块功能。

图7 模块功能

SIM800A模块串口管脚的工作电平为CMOS电平，单片机串口管脚的工作电平为TTL电平，通过单片机高电平和低电平的逻辑判断电平可实现SIM800A的管脚连接，因此模块的串口线可直接与单片机的串口线连接。SIM800A模块的NETLIGHT管脚连接指示灯来指示工作状态。

2.5 摔倒检测模块

摔倒检测有两种方案：倾斜角计算方式和振动计算方式。倾斜角传感器可进行角度测量、角速度测量和角加速度测量。振动传感器模块的电路逻辑为检测到超过阈值的振动时，DO脚出现短暂的高电平。同时，可以调节蓝色电位器，以更改触发阈值。

2.6 语音播报模块

语音模块采用插卡方式存储语音，操作简单。语音模块支持MP3格式，WAV格式。模块的SPK1与SPK2引脚可直接连接扬声器进行语音播放，电路如图8所示。

图8 语音模块电路

2.7 电源的选择

采用USB接口实现电源供给。USB电压为5 V，且其文波与干扰较小，电压输出比较稳定，且输出质量较高。

3 系统的制作与调试

3.1 硬件研制

采用洞洞板进行器件的安装、固定、焊接，用万用表进行检查，观测是否存在短路或虚焊。

3.2 编写模块化程序

程序设计相对复杂，故采用模块化设计方法。系统程序流程如图9所示。

图9 系统程序流程

3.3 测试

烧写系统程序，对系统进行测试。

（1）测试中观察到LCD可显示实时信息，通过GPS定位，可准确显示老人实际位置的经度和纬度，如图10所示。

图10 系统整体测试图

（2）通过手机发送短信“123456j”至手机，设备会将老人所处位置的经纬度信息发送至手机。

（3）当老人出现摔倒等危险情况时，可进行语音播报请求路人帮忙，同时会给用户发送一条报警短信“Warning!Qing jiu yuan!”，如图11所示。

图11 手机接收信息界面

4 结 语

为防止老年人走丢和摔倒，本文研发了一款基于STM32F103单片机的老年人防走丢与防摔倒警报系统，该系统具有便携性好、准确性高、成本低、使用寿命长等特点，适用于不同的生活场景。

（1）以STM32为主体，基本形成闭环全自动控制，可实现老年人零学习成本和低经济成本的精确定位和摔倒检测。

（2）通过“物联网+”的形式，可将信息及时传递给老人子女和养老服务单位，不同于传统的“用户为信息主体”，系统以“监护人为信息主体”，在提高信息质量的同时降低了成本。

（3）使用振动传感器进行摔倒检测，准确性高，且能定制阈值、可调节，优点突出。