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摘要：為最大限度防止老年人因腿腳不便或患有記憶方面的疾病而摔倒、走失，文中設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的老年人防走丟與摔倒報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用單片機作為主控制器，由單片機處理數(shù)據(jù)并在液晶顯示屏上顯示老人所在位置的經(jīng)緯度，通過振動監(jiān)測模塊收集老人的信息，借助 GSM 短信模塊向問詢短信回復地理位置編碼；當設備佩戴人出現(xiàn)摔倒或身體不適等危險情況時，自動進行語音播報請求路人幫忙，同時會給終端發(fā)送求救信息，及時呼救。此設計具有實時經(jīng)緯度顯示、短信查詢定位信息、摔倒檢測、呼救等功能，使用方便、成本低廉，具有廣闊的市場前景。

0 引言

2019年6月，由中國老年學和老年醫(yī)學學會老齡傳播分會、中國疾控中心慢病中心、國家衛(wèi)健委北京老年醫(yī)學研究所等七家機構聯(lián)合發(fā)布《老年人防跌倒聯(lián)合提示》，呼吁全社會從強化老年人個人意識、促進居家適老化改造等方面努力，重視跌倒對老年人健康和生命造成的嚴重威脅。世面上諸多基于GPS接收模塊的產(chǎn)品，如GPS智能手機、車載GPS導航等，雖然功能豐富，如帶有可視化地圖等，但成本過高，并不適合老年用戶群體。傾斜角檢測法是最常見的摔倒檢測方法之一，但因為現(xiàn)有傾斜角傳感器的局限性，設備必須以特定或幾種方式放置，在成本控制方面存在一定的局限性。本文研發(fā)的老年人防走丟與摔倒警報系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))能實現(xiàn)GPS定位經(jīng)緯度顯示和摔倒檢測，還具有通過手機短信收發(fā)位置、語音播報請求幫忙等功能 [1-2]。

1 系統(tǒng)整體方案設計1

1.1 系統(tǒng)的理念設計

通過走訪養(yǎng)老機構、有老人的家庭、老人獨居家庭，調(diào)查了老人對于現(xiàn)有智能設備的擔心和平均每天使用智能設備的時間，結果如圖1和圖2所示。

由此我們可以得出結論：老年人無法付出過多的學習成本，他們需要的僅僅是能夠簡單實現(xiàn)所需功能的“一體機”，并且他們很看重設備的花費和易損程度。由于很少有老年人能熟練使用智能手機等設備，對于老年人的“萬物互聯(lián)”，終端只能是他們的兒女和監(jiān)護人 [3]。1.2 硬件與軟件的要點設計硬件：STM32系列單片機是32位單片機，處理速度相對較快。本次設計綜合考慮人機交互需求，采用LCD1602顯示器作為系統(tǒng)的人機交互設備，以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量顯示。摔倒檢測模塊選用配有SW-18015P 振動傳感器的模塊。軟件:采用C語言編寫程序。分模塊編寫程序，將子程序模塊編寫完成之后進行整體程序功能的邏輯設計，使程序具有較高的移植性和擴展性 [4-5]。設備整體功能結構如圖3所示。

1.2.1 單片機的選擇STC系列單片機:STC單片機外設簡單，只需正確搭建最小系統(tǒng)單片機就可以正常工作。寄存器與I/O管腳操作相對簡單。 STM32系列單片機:STM32系列單片機在消費領域的應用非常普遍。STM32系列單片機是32位單片機，處理速度相對較快。STM32系列單片機采用ARM內(nèi)核架構，處理速度進一步得到優(yōu)化。樹莓派系統(tǒng) ：樹莓派具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能，擁有高規(guī)格的存儲和運算能力，但這些功能對于受眾群體而言過于冗余。樹莓派的硬件構成較為復雜，價格相對傳統(tǒng)的單片機更昂貴。綜合考慮，本系統(tǒng)采用STM32系列單片機實現(xiàn)相關功能，完成最小系統(tǒng)與外圍設備的搭建與調(diào)試 [6]。

1.2.2 顯示電路的選擇

系統(tǒng)選用LCD1602顯示屏實現(xiàn)人機界面交互。LCD1602具有背光LED，使得顯示更加清晰。LCD1602液晶顯示屏可以顯示2行英文字符或者數(shù)字，每一行可顯示16位數(shù)。LCD1602液晶顯示屏采用并行串口控制，數(shù)據(jù)顯示與刷新速度較快。LCD1602顯示數(shù)據(jù)量相對較大，顯示結果較清晰，但不適用于寒冷環(huán)境。

1.2.3 傳感器的選擇

傾斜角傳感器：該傳感器可進行角度測量、角速度測量和角加速度測量。因設備置放角度隨機，無法通過角度進行摔倒檢測。考慮到人體各部分角速度有區(qū)別，加之用戶運動狀態(tài)的不同，如果要對摔倒進行精確的定義和檢測，可能會出現(xiàn)算法過于復雜、STM32 單片機無法承載的情況。再者，市面上常見的傾斜角傳感器通常對于放置方向有限制，會加大用戶操作的困難程度，產(chǎn)生額外的學習成本和時間花銷，不符合設備受眾的需求 [7]。

振動傳感器：選用配有SW-18015P振動傳感器的模塊。SW-18015P是一種密封彈簧式、非定向振動感應觸發(fā)開關,其相較于傾斜角模塊的優(yōu)勢在于,可任意角度觸發(fā)。SW-18015P 壽命長，正常情況下可開關達20萬次。彈簧為不銹鋼線或磷銅線材質(zhì)，不易損壞。在多次調(diào)查走訪養(yǎng)老機構后發(fā)現(xiàn)，老年人只有在摔倒等情況下SW-18015P才會振動。同時，還可以通過更換傳感器彈簧的材質(zhì)，以有效調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，也可以通過電路板上的電位器調(diào)整觸發(fā)閾值。

2 系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)

2.1 單片機及其主控

STM32單片機寄存器相對于其他單片機較多，開發(fā)模式分別是寄存器版本開發(fā)、庫函數(shù)版本開發(fā)。本研究同時使用了兩種開發(fā)方式。本系統(tǒng)的主控選用STM32F103C8T6。

2.2 顯示電路

LCD1602液晶顯示屏是比較常用的顯示器件，一共可以顯示兩行信息，尺寸如圖4所示。本系統(tǒng)選擇具有背光的LCD1602顯示數(shù)據(jù)，基于未來使用場景，可以做拆卸處理。

LCD1602 液晶電路原理如圖5所示。

GPS 模塊實物與接口電路如圖6所示。LCD1602液晶顯示屏的管腳與單片機采用網(wǎng)絡標號形式連接，PR1是10kΩ的可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻實現(xiàn)LCD1602液晶顯示屏的對比度調(diào)節(jié)。LCD1602的D7～D0引腳是并行數(shù)據(jù)接口，與單片機的P0口連接。背光燈接入 5V與GND管腳間，實現(xiàn)上電屏幕的背光屏幕常亮。LCD1602的E引腳連接單片機的P2.5 引腳，R/W引腳連接單片機的P2.6引腳，RS連接單片機的P2.7引腳[8-9]。

LCD1602液晶顯示屏會對數(shù)據(jù)實現(xiàn)“忙”檢測，當“不忙”時可以進行數(shù)據(jù)的寫入操作，通過引腳間的程序協(xié)調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。LCD1602會實時判斷RS引腳輸入的指令，通過判斷模塊寫入相應數(shù)據(jù)，或者寫入相應指令。當LCD1602的E引腳給出高電平時，LCD1602會將得到的信息傳遞給液晶控制系統(tǒng)，實現(xiàn)相應的寫操作。2.3 GPS 定位模塊

RTCM標準協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會（MNEA）為海用電子設備制定的標準格式，現(xiàn)在演變?yōu)镚PS導航設備統(tǒng)一使用的RTCM標準協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼傳遞 GPS定位信息，幀的格式即為協(xié)議內(nèi)容，通過串口以字節(jié)的形式傳送。

GPS定位信息語句的基本格式如下：（1）UTC時間格式為時、分、秒、毫秒；（2）緯度的格式為度、分；（3）緯度半球為北緯或南緯；（4）經(jīng)度的格式為度、分；（5）經(jīng)度半球為東經(jīng)或西經(jīng) ；（6）GPS 狀態(tài)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衛(wèi)星數(shù)量為00～12 ；（8）HDOP 水平精確度因子為0.5～99.9 ；（9）海拔高度為-9999.9～9999.9m ；（10）大地水準面高度為-9999.9～9999.9m ；（11）差分時間，即從最近一次接收到差分信號開始的時間，非差分定位，此項為空；（12）差分參考基站標號為0000～1023，首位0也將傳送，非差分定位，此項為空。2.4 GSM 短信模塊GSM通信模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵摹?a target="_blank">SIM800A可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中數(shù)據(jù)、語音傳輸及短消息服務（Short Message Service）和傳真。SIM800A是緊湊型、高可靠的無線模塊，采用了SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案與功能強大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核,能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求,通過AT命令控制(GSM07.07，07.05 和增強AT命令)。圖 7 所示為SIM900A模塊功能。