一種低成本的多功能防跌倒裝置

鄧偉強 劉忠湃 王金喜

摘要：對于現階段社會老齡化人口的加重，老年人的健康安全問題越來越重視。本文提出了一種針對老人跌倒而開發的一種低成本多功能裝置。該設計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。主控芯片對由傳感器傳輸的數據執行跌倒檢測算法。一旦該算法發現老人跌倒，主控芯片撥打指定的緊急電話號碼和無線電模塊將告警指令發送給接收者。從而實現在最短時間保護老年人的安全。

關鍵詞：實時檢測；智能語音；防跌倒預警；GSM通訊；便攜

一、 背景

隨著我國人口老齡化的加劇和期望壽命的延長，老年人的健康安全問題逐漸成為當今社會首要解決的問題。通過計算機技術來解決老年人的醫療保健問題逐漸成為熱門的研究領域。而據相關調查顯示，老年人到醫院因傷就診的病例中，跌倒病例已經超過了50%；傷情嚴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接受適當的治療的話，傷情會進一步惡化。據統計，世界上每年都有大約424000例死亡與跌倒行為直接相關，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次到多次跌倒經歷的比例高達1/3，其中20%～30%的老人在跌倒事件中會造成擦傷、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負擔的重要因素。

本文主要討論了針對老年人跌倒的一種檢測裝置，并實現了無線定位和自動報警功能，使跌倒損傷的老年人可以盡快地接受到相關治療。

二、 主電路設計

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

（二） 根據所述的基于STC89C52單片機的老人防跌倒報警系統，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，另一端串聯三極管Q1的發射極，三極管Q1的基極接電阻R1后接到STC89C52單片機的P1.4引腳，三極管Q1的集電極接地。

（三） 根據所述的基于STC89C52單片機的老人防跌倒報警系統，其特征在于，所述傾角檢測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） 根據所述的基于STC89C52單片機的老人防跌倒報警系統，其特征在于，所述電源電路包括開關SW2，電源正極VCC與電阻R4、二極管D2、直流接口DC PORT、開關SW2串聯連接，二極管D2與直流接口DC PORT的公共端口接地。

（五） 根據所述的基于STC89C52單片機的老人防跌倒報警系統，其特征在于，報警系統還包括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引出兩個引腳，其一接電阻R5后與引腳5ADJ相連，另一個引腳連接至極電電容EC1，極電電容EC1另一端接地。

（六） 根據所述的基于STC89C52單片機的老人防跌倒報警系統，其特征在于，報警系統還包括按鍵模塊，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與發光二極管、電阻R3串聯后接至電源正極，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） 根據所述的基于STC89C52單片機的老人防跌倒報警系統，其特征在于，報警系統還包括復位電路，復位電路包括開關SW1與電容C1，開關SW1與電容C1并聯連接，開關SW1一端連接至電源正極，另一端連接至電阻R2，電阻R2的另一個引腳連接至電源負極。電容C1與電阻R2的公共引腳端接STC89C52單片機的RST/VPD引腳。

三、 電路圖設計

基于STC89C52單片機的即時通訊老人防跌倒報警系統，包括電源模塊、主控模塊、傾角檢測模塊、GPS模塊、復位模塊、時鐘模塊、GSM短信收發模塊和移動通信客戶端，主控模塊采用STC89C52單片機，電源模塊給STC89C52單片機供電，傾角檢測模塊實時檢測佩戴者的身體姿勢，傾角檢測模塊檢測到的傾角范圍超過預設范圍值后，主控模塊向移動通信客戶端發送信息，首先采用傾角傳感器ADXL345模塊，實時檢測人的身體傾斜角度的狀態信息，采用蜂鳴器作為報警信息，向周圍發送報警信息，以引起周圍人的注意。同時，以短信的形式將位置信息發送給移動通信客戶端，提醒監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來檢測使用者的姿態、傾角信息，ADXL345功能很強大，內置很多寄存器，而且成本低，易于控制。電源電路采用鋰電池供電，經過7805穩壓器將供電電壓變換后為單片機、傳感器供電。經過實驗驗證，系統在工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩定，能夠滿足系統的要求，而且電池更換方便。報警器采用蜂鳴器作為報警器件，蜂鳴器驅動電路簡單，成本低廉，易于控制。GSM模塊采用有電信網絡模塊與移動網絡模塊，故采用芯訊通公司生產的SIM900A模塊作為短信發送的電路模塊。

蜂鳴器電路：開關SW1與電容C1并聯連接，開關SW1一端連接至電源正極，另一端連接至電阻R2，電阻R2的另一個引腳連接至電源負極。電容C1與電阻R2的公共引腳端接STC89C52單片機的RST/VPD引腳；蜂鳴器BCLL一端連接至電源正極，蜂鳴器BCLL串聯在三極管Q1的發射極，三極管Q1的基極接電阻R1后接到STC89C52單片機的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引出兩個引腳，其一接電阻R5后與引腳5ADJ相連，另一個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與發光二極管、電阻R3串聯后接至電源正極，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SW2串聯連接，二極管D2與直流接口DC PORT的公共端口接地。

優選的上述電阻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

本文介紹了一種基于STC89C52單片機的防跌倒報警設計，完成了系統的硬件和軟件設計。通過對人體行為加速度數值的采集與分析，根據使用傳感器的特性制定了一套用于檢測人體跌倒的算法。并通過帶有GPS定位功能的GSM模塊發出報警，一旦發生意外，本系統將對佩戴者的醫療救治提供了及時性。通過軟硬件的結合實現了對于跌倒探測的功能。

參考文獻：

[1]鄒眾鷹，謝存禧.基于家庭的遠程健康監護系統進展[J].計算機工程與應用，2005，30（10）：20-34.

[2]陳治金，孟文，徐正平，聞晶.GSM模塊在汽車遠程控制預熱器中的應用[J].計算機與數字工程，2017（3）：08-909.

[3]崔琳，朱磊，劉小龍，王湘南.基于STM32F407的以太網通信模塊設計[J].計算機測量與控制，2018（1）：261-262.

[4]秦瑀陽.老年人跌倒檢測報警裝置的研究與設計[J].大連海事大學碩士論文，2013（5）：16-17.

作者簡介：

鄧偉強，劉忠湃，王金喜，安徽省滁州市，滁州學院電子與電氣工程學院。