一種低成本的多功能防跌倒裝置

鄧偉強(qiáng) 劉忠湃 王金喜

摘要：對(duì)于現(xiàn)階段社會(huì)老齡化人口的加重，老年人的健康安全問題越來越重視。本文提出了一種針對(duì)老人跌倒而開發(fā)的一種低成本多功能裝置。該設(shè)計(jì)主要由三軸加速度傳感器、主控制芯片、GPS模塊組成無線模塊。主控芯片對(duì)由傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)執(zhí)行跌倒檢測(cè)算法。一旦該算法發(fā)現(xiàn)老人跌倒，主控芯片撥打指定的緊急電話號(hào)碼和無線電模塊將告警指令發(fā)送給接收者。從而實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間保護(hù)老年人的安全。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)檢測(cè)；智能語音；防跌倒預(yù)警；GSM通訊；便攜

一、 背景

隨著我國(guó)人口老齡化的加劇和期望壽命的延長(zhǎng)，老年人的健康安全問題逐漸成為當(dāng)今社會(huì)首要解決的問題。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來解決老年人的醫(yī)療保健問題逐漸成為熱門的研究領(lǐng)域。而據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，老年人到醫(yī)院因傷就診的病例中，跌倒病例已經(jīng)超過了50%；傷情嚴(yán)重需要住院的病例中80%為跌倒病例。而如果跌倒后不能及時(shí)接受適當(dāng)?shù)闹委煹脑挘瑐闀?huì)進(jìn)一步惡化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上每年都有大約424000例死亡與跌倒行為直接相關(guān)，跌倒是世界上造成意外傷害死亡的第二大原因（僅次于交通事故）。研究表明，在65歲以上的老年人中，每年有1次到多次跌倒經(jīng)歷的比例高達(dá)1/3，其中20%～30%的老人在跌倒事件中會(huì)造成擦傷、髖部骨折、頭部外傷等，并隨著年齡的增加而增加。由此可見，跌倒成為威脅老年人生命安全和增加社會(huì)負(fù)擔(dān)的重要因素。

本文主要討論了針對(duì)老年人跌倒的一種檢測(cè)裝置，并實(shí)現(xiàn)了無線定位和自動(dòng)報(bào)警功能，使跌倒損傷的老年人可以盡快地接受到相關(guān)治療。

二、 主電路設(shè)計(jì)

（一） 一種基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，包括主控模塊、傾角檢測(cè)模塊、GPS模塊、GSM短信收發(fā)模塊、移動(dòng)通信客戶端和電源電路。主控模塊采用STC89C52單片機(jī)，傾角檢測(cè)模塊連接至主控模塊，傾角檢測(cè)模塊檢測(cè)到的傾角范圍超過預(yù)設(shè)范圍值后，主控模塊通過GPS模塊獲取位置信息后，再通過GSM短信收發(fā)模塊向移動(dòng)通信客戶端發(fā)送信息，主控模塊連接有蜂鳴器電路。

（二） 根據(jù)所述的基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述蜂鳴器電路包括蜂鳴器BCLL，蜂鳴器BCLL一端連接至電源正極，另一端串聯(lián)三極管Q1的發(fā)射極，三極管Q1的基極接電阻R1后接到STC89C52單片機(jī)的P1.4引腳，三極管Q1的集電極接地。

（三） 根據(jù)所述的基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述傾角檢測(cè)模塊采用傾角傳感器ADXL345，傾角傳感器ADXL345的P1.2引腳STC89C52的P1.2引腳，ADXL345的P1.3引腳接STC89C52 P1.3引腳，ADXL345的引腳2接電源正極VCC，ADXL345的引腳6接地。

（四） 根據(jù)所述的基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述電源電路包括開關(guān)SW2，電源正極VCC與電阻R4、二極管D2、直流接口DC PORT、開關(guān)SW2串聯(lián)連接，二極管D2與直流接口DC PORT的公共端口接地。

（五） 根據(jù)所述的基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，報(bào)警系統(tǒng)還包括GSM模塊供電電路，GSM模塊供電電路采用LD29300P2M芯片，電源正極VCC接引腳LD29300P2M芯片1INH、2IN，電容C4兩端分別連接至電源正極和GND引腳，電阻R6連接LD29300P2M芯片引腳5ADJ，另一端接地；引腳4OUT引出兩個(gè)引腳，其一接電阻R5后與引腳5ADJ相連，另一個(gè)引腳連接至極電電容EC1，極電電容EC1另一端接地。

（六） 根據(jù)所述的基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，報(bào)警系統(tǒng)還包括按鍵模塊，按鍵模塊采用CON20，CON20的引腳1、2、3、4、5接Pow42，引腳6、7、8、9、10、11接地，引腳12與發(fā)光二極管、電阻R3串聯(lián)后接至電源正極，引腳13與STC89C52的P31TXD相連接，引腳14與STC89C52的P30RXD相連接，引腳P11接STC89C52的P11。

（七） 根據(jù)所述的基于STC89C52單片機(jī)的老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，報(bào)警系統(tǒng)還包括復(fù)位電路，復(fù)位電路包括開關(guān)SW1與電容C1，開關(guān)SW1與電容C1并聯(lián)連接，開關(guān)SW1一端連接至電源正極，另一端連接至電阻R2，電阻R2的另一個(gè)引腳連接至電源負(fù)極。電容C1與電阻R2的公共引腳端接STC89C52單片機(jī)的RST/VPD引腳。

三、 電路圖設(shè)計(jì)

基于STC89C52單片機(jī)的即時(shí)通訊老人防跌倒報(bào)警系統(tǒng)，包括電源模塊、主控模塊、傾角檢測(cè)模塊、GPS模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、GSM短信收發(fā)模塊和移動(dòng)通信客戶端，主控模塊采用STC89C52單片機(jī)，電源模塊給STC89C52單片機(jī)供電，傾角檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)佩戴者的身體姿勢(shì)，傾角檢測(cè)模塊檢測(cè)到的傾角范圍超過預(yù)設(shè)范圍值后，主控模塊向移動(dòng)通信客戶端發(fā)送信息，首先采用傾角傳感器ADXL345模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)人的身體傾斜角度的狀態(tài)信息，采用蜂鳴器作為報(bào)警信息，向周圍發(fā)送報(bào)警信息，以引起周圍人的注意。同時(shí)，以短信的形式將位置信息發(fā)送給移動(dòng)通信客戶端，提醒監(jiān)控人老人摔倒的信息。

傾角傳感器采用基于ADI公司的傾角傳感器ADXL345來檢測(cè)使用者的姿態(tài)、傾角信息，ADXL345功能很強(qiáng)大，內(nèi)置很多寄存器，而且成本低，易于控制。電源電路采用鋰電池供電，經(jīng)過7805穩(wěn)壓器將供電電壓變換后為單片機(jī)、傳感器供電。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)在工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。報(bào)警器采用蜂鳴器作為報(bào)警器件，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，成本低廉，易于控制。GSM模塊采用有電信網(wǎng)絡(luò)模塊與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊，故采用芯訊通公司生產(chǎn)的SIM900A模塊作為短信發(fā)送的電路模塊。

蜂鳴器電路：開關(guān)SW1與電容C1并聯(lián)連接，開關(guān)SW1一端連接至電源正極，另一端連接至電阻R2，電阻R2的另一個(gè)引腳連接至電源負(fù)極。電容C1與電阻R2的公共引腳端接STC89C52單片機(jī)的RST/VPD引腳；蜂鳴器BCLL一端連接至電源正極，蜂鳴器BCLL串聯(lián)在三極管Q1的發(fā)射極，三極管Q1的基極接電阻R1后接到STC89C52單片機(jī)的P1.4引腳，三極管Q1的集電極接地。

傾角傳感器ADXL345的P1.2引腳STC89C52的P1.2引腳，ADXL345的P1.3引腳接STC89C52 P1.3引腳，ADXL345的引腳2接電源正極VCC，引腳6接地。

下載電路Header，引腳1接電源正極VCC，引腳2接STC89C52的P9.1TXD，引腳3接STC89C52的P9.0RXD，引腳4接地。

GSM模塊供電電路采用LD29300P2M芯片，電源正極VCC接引腳LD29300P2M芯片1INH、2IN，電容C4兩端分別連接至電源正極和GND引腳，電阻R6連接LD29300P2M芯片引腳5ADJ，另一端接地；引腳4OUT引出兩個(gè)引腳，其一接電阻R5后與引腳5ADJ相連，另一個(gè)引腳連接至極電電容EC1，極電電容EC1另一端接地。

按鍵模塊采用CON20，CON20的引腳1、2、3、4、5接Power42，引腳6、7、8、9、10、11接地，引腳12與發(fā)光二極管、電阻R3串聯(lián)后接至電源正極，引腳13與STC89C52的P31TXD相連接，引腳14與STC89C52的P30RXD相連接，引腳P11接STC89C52的P11。

電源電路：電源正極VCC與電阻R4、二極管D2、直流接口DC PORT、開關(guān)SW2串聯(lián)連接，二極管D2與直流接口DC PORT的公共端口接地。

優(yōu)選的上述電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5和電阻R6的阻值分別為100Ω、10kΩ、2kΩ、1kΩ、100kΩ和47kΩ。上述電容C1、電容C2、電容C3、電容C4和極電電容EC1的值分別為10μF、30pF、30pF、330nF和10μF。

四、 總結(jié)

本文介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)的防跌倒報(bào)警設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過對(duì)人體行為加速度數(shù)值的采集與分析，根據(jù)使用傳感器的特性制定了一套用于檢測(cè)人體跌倒的算法。并通過帶有GPS定位功能的GSM模塊發(fā)出報(bào)警，一旦發(fā)生意外，本系統(tǒng)將對(duì)佩戴者的醫(yī)療救治提供了及時(shí)性。通過軟硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)于跌倒探測(cè)的功能。

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作者簡(jiǎn)介：

鄧偉強(qiáng)，劉忠湃，王金喜，安徽省滁州市，滁州學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院。