基于人身安全防護(hù)的智能手環(huán)的研究

吳玉倉，劉軍峰，王繼紅

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

引言

現(xiàn)代社會，隨著人們物質(zhì)層面的極大豐富，人們開始追求健康的身體以及安全的生活環(huán)境，二者缺一不可，但是即使我國的生活環(huán)境已經(jīng)極為安全，犯罪率依然是高居不下，特別是個(gè)人出行，危險(xiǎn)率更是大大增高，尤其在近幾年暑假期間曝光的女大學(xué)生失蹤案件更是讓人觸目驚心。另外，社會中孩子失蹤苦苦搜尋難得線索、老人摔倒無人救助直至死亡的案件屢見不鮮，為此，我們利用現(xiàn)有的成熟普遍的技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款用戶定位為孩子、老人、女性等弱勢群體的人身防護(hù)安全智能手環(huán)。智能手環(huán)在當(dāng)代社會中已經(jīng)是極為普遍，而且手環(huán)的技術(shù)發(fā)展也是極為先進(jìn)，但是現(xiàn)在的智能手環(huán)主要專注的方面在于日常的運(yùn)動(dòng)、睡眠以及人體生理方面數(shù)據(jù)的采集和分析，而市面上專注于人身安全的智能手環(huán)的產(chǎn)品可謂是少之又少。文中設(shè)計(jì)的智能手環(huán)具備在侵害發(fā)生時(shí)能夠有效阻止傷害擴(kuò)大、幫助受害者爭取逃脫機(jī)會、及時(shí)發(fā)出求助信號并提供精確的地理位置信息等重要救援線索的功能。

1　研究的目的和意義

市面上為數(shù)不多的便攜式報(bào)警設(shè)備很少是基于穿戴式的，因此此類設(shè)備面臨的一大問題即是如何確保不被當(dāng)事人遺忘，在遇到危險(xiǎn)地情況下，報(bào)警設(shè)備能夠在受害者旁邊并能夠及時(shí)報(bào)警。

其次，當(dāng)前的大部分的便攜式報(bào)警設(shè)備均為主動(dòng)報(bào)警，但是若受害人失去主動(dòng)報(bào)警能力，則此類報(bào)警設(shè)備則失去了最終報(bào)警的功能。

最后，一些基于傳感器的便攜式報(bào)警設(shè)備由于方式單一，不免會出現(xiàn)誤報(bào)警的狀況，會給警務(wù)人員造成一些不必要的困擾。

因此，一個(gè)便攜式可穿戴且具備主動(dòng)報(bào)警和被動(dòng)報(bào)警雙重功能的報(bào)警設(shè)備在此類情況下顯得尤為重要，能夠?yàn)閭€(gè)人的人身安全提供一個(gè)有力的保障。

2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1　功能模塊設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)主要是由智能手環(huán)的主機(jī)模塊、信息采集模塊、定位模塊、人工操縱模塊，LCD顯示模塊和防衛(wèi)模塊組成。

主機(jī)模塊主要對采集到的信息進(jìn)行分析整理、篩選以及對異常信息的匹配工作，同時(shí)在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)對信息進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)行雙重確認(rèn)并報(bào)警，同時(shí)向定位模塊發(fā)出請求信號并將定位模塊回執(zhí)的位置信息及使用者的求救信號發(fā)送至預(yù)設(shè)聯(lián)系人。

信息采集模塊采用速度傳感器和陀螺儀兩個(gè)方向同時(shí)對信息進(jìn)行采集，確保信息的正確性，避免因模塊失靈發(fā)生誤報(bào)警或者不報(bào)警的情況，同時(shí)信息采集模塊實(shí)時(shí)將使用者的身體狀態(tài)信息發(fā)送至主機(jī)模塊，使主機(jī)模塊對使用者的身體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，保證報(bào)警信息的及時(shí)性。

定位模塊主要采用GPS定位功能模塊，在主機(jī)模塊確認(rèn)報(bào)警時(shí)將使用者當(dāng)前所處的經(jīng)緯度信息以及位置信息反饋給主機(jī)模塊，以便主機(jī)模塊報(bào)警的準(zhǔn)確性，同時(shí)定位模塊記錄使用者的行進(jìn)軌跡并發(fā)送至主機(jī)模塊進(jìn)行保存，便于使用者更快的得到救援。

人工操縱模塊可直接向主機(jī)發(fā)出信號并報(bào)警，同時(shí)人工操縱模塊可以調(diào)試手環(huán)進(jìn)入安全模式，在安全模式下，手環(huán)不會發(fā)出報(bào)警，但是每隔15分鐘，手環(huán)會詢問使用者是否退出安全模式，防止使用者遺忘關(guān)閉安全模式而發(fā)生遺漏報(bào)警的情況。

OLED顯示模塊主要用來顯示人機(jī)交互情況。

防衛(wèi)模塊主要由爆閃燈和蜂鳴器構(gòu)成，在人工操縱模塊的操縱下，發(fā)出防衛(wèi)和提醒信息。

信息采集模塊、定位模塊和主機(jī)模塊主要由藍(lán)牙 4.0通信技術(shù)進(jìn)行信息的傳遞。

模塊功能如圖1所示：

圖1　

2.2　主要功能設(shè)計(jì)

2.2.1防止傷害擴(kuò)大

手環(huán)硬件表面上安裝有可爆閃的LED燈，比如在夜晚，使用者遭到不法分子的危害時(shí)，通過人工操縱模塊中的LED爆閃燈開關(guān)開啟爆閃燈，使其對準(zhǔn)施害者眼睛，可使施害者眼睛短時(shí)間失明，為其爭取到逃脫時(shí)間。

同時(shí)，在爆閃燈啟動(dòng)時(shí)借助蜂鳴器發(fā)出刺耳的報(bào)警音，引起周圍人的注意，以此震懾施害者，在逃脫的時(shí)候可以選擇關(guān)閉蜂鳴器，避免逃脫后位置暴露，使施害者繼續(xù)追蹤。

2.2.2求助報(bào)警

在非安全模式下，當(dāng)主機(jī)模塊檢測到信息采集模塊發(fā)送的信息異常或者人工操縱模塊直接發(fā)出報(bào)警信息時(shí)，主機(jī)模塊通過藍(lán)牙想手機(jī)發(fā)出報(bào)警所包含的求助信息、位置信息等。同時(shí)位置發(fā)生變化時(shí)，主機(jī)模塊記錄使用者位置移動(dòng)軌跡信息，并通過藍(lán)牙與手機(jī)連接每隔2分鐘向預(yù)設(shè)聯(lián)系人發(fā)送一次位置信息，以便更快和更準(zhǔn)確的獲得幫助。

同時(shí)，在主機(jī)模塊中設(shè)置3個(gè)預(yù)設(shè)聯(lián)系人，主機(jī)模塊與每個(gè)聯(lián)系人之間設(shè)有互動(dòng)，若第一聯(lián)系人在2分鐘內(nèi)沒有對求助信息進(jìn)行回復(fù)，主機(jī)模塊則依次向其他聯(lián)系人發(fā)送求助信息，若預(yù)設(shè)聯(lián)系人均不回復(fù)，主機(jī)模塊則通過報(bào)警短信向警察進(jìn)行報(bào)警。

2.2.3防誤觸功能

防誤觸功能主要針對人工操縱報(bào)警模塊，防止在使用者不經(jīng)意的情況下發(fā)生假報(bào)警的情況。方法是在手環(huán)的硬件設(shè)計(jì)上放置兩個(gè)報(bào)警開關(guān)只有兩個(gè)報(bào)警開關(guān)同時(shí)按下，主機(jī)才會響應(yīng)，啟動(dòng)報(bào)警功能。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片：采用了CC2541主控芯片，該芯片可編程的以藍(lán)牙4.0為通信的增強(qiáng)型超低功耗的芯片，應(yīng)用在手環(huán)中可大大提高手環(huán)的續(xù)航能力；同時(shí)CC2541芯片具備了較高的傳輸速率和出色的接受靈敏度，為手環(huán)求助報(bào)警的實(shí)時(shí)性提供了可靠的硬件支持。

電源模塊：用 AMS117-3.3穩(wěn)壓芯片輸出 3.3V電壓為整個(gè)系統(tǒng)供電，AMS1117-3.3的輸入電壓為4.75V～15V，選用5V可充電聚合物鋰電池（550m A）做輸入。

防衛(wèi)模塊：貼片蜂鳴器電路負(fù)責(zé)警報(bào)，采用貼片有效降低了手環(huán)的體積；大功率1W 手機(jī)貼片LED，采用高頻閃電路對LED的頻閃和亮度進(jìn)行有效的控制，在光線較暗的情況下正對人眼使用可以使人短時(shí)間致盲。

顯示模塊：主要采用0.5吋OLED液晶顯示屏顯示藍(lán)牙連接情況，電量和模式情況。

按鍵模塊：手環(huán)側(cè)安裝貼片按鍵模塊，主要用來進(jìn)行報(bào)警、防衛(wèi)和模式轉(zhuǎn)換。

其他模塊：模擬電路 ADC檢測模塊；電量檢測模塊；程序下載模塊等。

4　軟件設(shè)計(jì)

在手環(huán)與手機(jī)初次連接或者斷開連接后的再次連接時(shí)，主機(jī)模塊會檢測手機(jī)與手環(huán)之間的藍(lán)牙設(shè)備是否連接成功，若連接成功則其余各模塊開始工作，若沒有連接成功或者斷開連接，則主機(jī)模塊會通過OLED顯示屏告知使用者，并重新掃描設(shè)備進(jìn)行重新連接，直至連接成功。

圖2　手環(huán)開啟后初始功能流程圖

手環(huán)在硬件設(shè)計(jì)中設(shè)有安全模式按鍵負(fù)責(zé)手環(huán)的安全模式。在安全模式下，除了OLED顯示模塊和主機(jī)模塊正常工作外，其他模塊均進(jìn)入休眠狀態(tài)，在降低能耗的同時(shí)也大大降低了誤報(bào)警的可能性。

圖3　報(bào)警方法流程設(shè)計(jì)圖

在非安全模式下，主機(jī)通過芯片中的程序設(shè)計(jì)對外部傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在滿足報(bào)警條件的情況下操縱報(bào)警模塊工作，同時(shí)接受定位系統(tǒng)發(fā)送的信息并對其進(jìn)行編碼，以便進(jìn)行信息的傳輸。

5　實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

為了檢驗(yàn)手環(huán)的報(bào)警準(zhǔn)確性，我們需要進(jìn)行手臂擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)和模擬摔倒實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行手臂擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)的原因是現(xiàn)實(shí)中在人遇到緊急情況且具有逃脫能力時(shí)，迅速跑步遠(yuǎn)離危險(xiǎn)時(shí)人們能選擇的最佳辦法，在跑步過程中手臂的擺動(dòng)是不可避免的，其次，這也是手環(huán)檢測危險(xiǎn)情況的一種方法，進(jìn)行模擬摔倒實(shí)驗(yàn)則是模擬使用者被暴力擊倒的情況。

我們分找了1名男性和1名女性分別進(jìn)行了每人分別對每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了六次實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果如下：

表2　男生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注：手臂輕微擺動(dòng)和人正常走路幅度一致，中度擺動(dòng)模擬正常跑步，劇烈擺動(dòng)模擬跑步?jīng)_刺時(shí)手臂擺動(dòng)速度和幅度。緩慢摔倒則是模擬人正常睡眠的躺下速度，迅速摔倒則是模擬人直接摔倒的情況。

根據(jù)以上兩表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以表明手環(huán)的幾乎不會出現(xiàn)誤報(bào)警的情況，但是可能在手臂擺動(dòng)幅度和摔倒速度不滿足某些條件時(shí)，可能會發(fā)生不報(bào)警的情況，但是這種情況主要出現(xiàn)在女生當(dāng)中，因此在后期的調(diào)整中應(yīng)該增加手環(huán)中的傳感器的靈敏度，以便出現(xiàn)不報(bào)警的情況，避免危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，不能及時(shí)發(fā)出求助信息。

6　總結(jié)

在本設(shè)計(jì)中，利用了現(xiàn)有智能手環(huán)領(lǐng)域的成熟技術(shù)，改變了固有智能運(yùn)動(dòng)手環(huán)的設(shè)計(jì)思想，并將成熟的人體運(yùn)動(dòng)檢測技術(shù)添加到設(shè)計(jì)當(dāng)中，使整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想專注于人身安全。在防護(hù)人身安全方面，本設(shè)計(jì)更是在提供求助報(bào)警的基礎(chǔ)上，加入了主動(dòng)防護(hù)的功能，同時(shí)，雙重檢測功能和防誤觸功能的設(shè)計(jì)大大提高了智能安全手環(huán)防護(hù)功能的可靠性，這些也正是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。

[1] 楊婷,黃韜,謝亮.基于STM32微控制器的智能手環(huán)的設(shè)計(jì)[J].科技廣場,2016(08):190-192.

[2] 杜鵬杰.智能手環(huán)智能佩戴檢測技術(shù)探究[J].家電科技,2016(12):35-37.

[3] 陳君銘,葉政.探討智能手環(huán)的幾種設(shè)計(jì)方案[J].集成電路應(yīng)用,2016,33(12):57-59.

[4] 李易陸,陳洪波,蔣曉旭,李騰生,馮思浩.基于三軸加速度傳感器的人機(jī)交互智能手環(huán)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(05):412- 415.

[5] 鄭勁松,黃振奮.基于藍(lán)牙4.0的校園可穿戴智能終端設(shè)計(jì)[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,29(01):83-89.

[6] 孫志勇,龔瓊,蘇大明,王新生,馮亦寧.基于STM32的多參數(shù)手環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界,2016(27):444-445.