老人摔倒實時保護智能腰帶

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馬華彬王臣煒韓桂明

智能腰帶;精準;保護;可穿戴設備;嵌入式

我國于20世紀末進入老齡化社會，預計到2050年將進入深度老齡化階段，成為老齡化程度最嚴重的國家[1]，這也將從多方面給我國社會帶來巨大的壓力和挑戰(zhàn)。整個國際社會都在關注老齡化問題，而一直以來，老年人失蹤、跌倒事件頻頻發(fā)生，其造成的后果十分嚴重。于是，老年人的安全監(jiān)護成了一個突出的社會性問題[2]。隨著年紀增長，老年人身體機能下降并伴隨多種老年性疾病，使之在日常生活中更簡單跌倒，解決此問題的核心技術便是跌倒檢測技術與保護裝置。此外，當前社會老年人跌倒后無人敢攙扶、無人敢救，逐漸成為一種普遍的社會現(xiàn)象，在這種狀況下，跌倒對老年人來說更是致命的。如何在信任危機日益嚴重的社會中維護老年人的生命健康權(quán)利，成為日漸重要的議題。因此針對老年人對安全保證的迫切需求，利用電子信息技術對于解決此問題有著極大的社會價值。一、系統(tǒng)總體方案

STM32F411CEU6作為本設計的主控芯片，利用芯片的IIC外設接口對MPU6050陀螺儀和BMP280氣壓計的數(shù)據(jù)采集和AT24C02進行數(shù)據(jù)存儲;利用USART串口接口對SIM800無線通信通訊物聯(lián)網(wǎng)核心板進行數(shù)據(jù)的交換，通過STM32F411CEU6芯片的USART串口接口發(fā)送AT指令，將SIM800無線通信通訊物聯(lián)網(wǎng)核心板所采集到的位置信息返回給操縱中心進行處理，當檢測到老人發(fā)生危險時，也由SIM800無線通信通訊物聯(lián)網(wǎng)核心板向老人的監(jiān)護人發(fā)送緊急求救短信，并通過蜂鳴器進行報警，引起周邊人的注意，實施救援。

電源模塊設計：在本設計中STM32F411CEU6芯片的工作電壓在1.7V～3.6V之間，而平日使用的鋰電池的電壓是4.2V，超過了該芯片最大的工作電壓，所以必需加個降壓穩(wěn)壓電路，為了便利，我們用了AMS1117-3.3芯片把電壓降至3.3V。又由于SIM800模塊的啟動電壓和啟動電流要求較高需要到5V的電壓和1A的電流，所以采取的方案是將兩節(jié)鋰電池串聯(lián)。

顯示模塊設計：OLED12864液晶顯示屏。之所以它叫OLED12864，是由于它的辨別率就是128*64，是由128*64個點組成的顯示，可以通過程序來操縱這些點的顯示效果，構(gòu)成更完美的人交互界面。OLED12864具有8位并行、2線或者3線串行多種接口方式，由于并行驅(qū)動占用IO口較多，所以本工程采用的是穿行SPI的驅(qū)動方式。OLED的工作電壓為3.0V～5V，我們這里為了降低功耗所以用了3.3V。

MPU6050陀螺儀設計：MPU6050在本工程中起到至關重要的作用，沒有了它，該工程就無法對老人神態(tài)進行檢測。MPU6050是世界上第一款集成6軸設備，內(nèi)部集成了3軸陀螺儀與3軸加速度計，和一個數(shù)字處理器，體積封裝雖小，但是功能強大。MPU6050通過IIC接口與單片機進行通信，可以通過不同的指令進行讀寫操作。MPU6050的工作電壓范圍是2.5V～3.6V，該設計用了3.3V的電壓對其供電。內(nèi)部也集成了可編程的外部中斷，如自由落體中斷、敲擊響應中斷、搖動感應中斷。因此MPU6050被廣泛用于手機、攝影云臺、四軸飛控等領域。

GPS定位模塊設計：在本設計中我們采用的GPS定位模塊是杭州中科微電子的ATGM336H，該模塊是第三代北斗+GPS雙模導航定位，支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該模塊具有高靈敏度、低功耗等優(yōu)勢。適用于導航和可穿戴設備，據(jù)了解，大量共享單車都用的該模塊。該模塊的工作電壓范圍是2.7V～3.6V，該設計用的是3.3V，剛好在正常工作電壓范圍內(nèi)。該模塊還內(nèi)置天線檢測及天線短路功能為開發(fā)和設計節(jié)省了大量時間。通信方式主要是以串口的方式，直接發(fā)送AT指令來操縱和獲取數(shù)據(jù)，簡單便利。為了降低功耗，本設計還利用RT9193電源管理芯片對該模塊電源的獨立操縱，在檢測到老人沒佩戴或者不移動時可以通過IO的高低點平對電源模塊進行使能、失能操作二、系統(tǒng)軟件概述

本系統(tǒng)軟件部分是由：系統(tǒng)初始化、外部硬件初始化、開啟定時器、外部中斷給相關寄放器賦初值。配置MPU6050陀螺儀，BMP280氣壓計，讓其工作。配置完后進入循環(huán)中斷系統(tǒng)，首先進入的是通過AD采集光敏電阻電壓后檢測佩戴，若檢測到未佩戴模式，則進入低功耗模式，關閉無須工作的外設，從而達到低功耗目的，若檢測到為佩戴狀態(tài)則運行后續(xù)。定時器采集MPU6050陀螺儀數(shù)據(jù)和BMP280數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，通過算法得出老人神態(tài)，然后進行信號觸發(fā)，信號觸發(fā)后進行警報，以及發(fā)送短信求救。三、瞬間閃護系統(tǒng)

由于老人年齡的增長，反應速度越來越慢，在遇到摔倒這種突發(fā)狀況時，老人佩戴的摔倒實時保護腰帶會瞬間產(chǎn)生響應，并在老人失去平衡的瞬間觸發(fā)智能防護系統(tǒng)，進行有效地保護。這套系統(tǒng)不受環(huán)境和運動的限制，老人穿戴該腰帶時可以進行一切有益于身體健康的運動。四、智能防護系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括氣囊和氣瓶，可以實現(xiàn)通過接收到瞬間閃護系統(tǒng)的觸發(fā)信號，進行氣瓶與氣囊之間的智能充氣，既可以最大限度滿足老人摔倒防護需求，也可以讓老人在摔倒時不必受到痛楚的煎熬，而是在摔倒在地時有舒適的氣囊進行保護。五、智能報警系統(tǒng)

目前遠程報警可以分為兩類，一類是老人摔倒時對移動端發(fā)送的緊急指令。另一類是老人摔倒后，報警裝置啟動，吸引周邊人的注意，進行有效的救助，簡單講就是對老人的身體健康進行實時監(jiān)控，即對老人摔倒時的緊急提醒，也就是目前市場上常說的安全報警系統(tǒng)。六、結(jié)論

本腰帶體積小，佩戴便利，老人佩戴該裝置不受氣候、時間、運動等因素的限制，可以每天起床時像衣服一樣穿戴并進