保護老人小孩安全的隱蔽定位系統設計

郭笑塵， 李梅

(中國地質大學(北京)信息工程學院， 北京 100083)

0 引言

眾所周知，隨著中國老齡化的加速和二胎政策的實行，我國將迎來一個老年人和小孩比例高峰。而與此同時，一些問題也就暴露出來：1)美國阿茲海默癥協會發布今年數據，顯示阿茲海默癥患者數量持續上升，與此同時，這樣的情況還在加劇。預計2025年時，65歲以上患者將比現在增加近3成，到2050年，人數更會翻倍，總人數超過1 380萬[1]。市面上很多裝置都會選擇手環一類用于定位，但是，手環又過于顯眼，與此同時，他們又都保留著人最基本的尊嚴，很多老人不想讓別人知道他們的特殊情況。而阿爾茲海默癥患者最讓親屬擔心的就是他們所在的位置，這就造成一個矛盾； 2)由于小孩的分辨本領和防暴本領較弱，拐賣兒童問題屢見不鮮，雖然有了類似I-Watch等設備，不過由于過于顯眼，犯罪分子能夠第一時間拆除而導致設備失效3)因為女士防暴能力一般，而身上多有貴重物品，因此女士路遇搶劫也成為了某些地區的常見犯罪問題。為了預防以上情況的發生，本設計針對弱勢群體的安全問題設計了一套電子嵌入式定位系統。

隱蔽性強是本設計的一大特點。本設計為解決同類的電子設備出現的高誤報率、交互性差、高功耗問題，通過系統設計、工作模式設計、系統報警策略改進、電路設計和算法設計等方式得到了一套相較可觀的解決方案。為了保持危險到來時信號的及時發出，采用經典的GSM來完成通訊系統。同時又加入了無線通信技術來跟現在的先進科技對接又增強設備的可利用性和嵌入式技術使功能相對完善。在本設計中，以STM32F103ZET6為核心[2]，GSM與GPS作為通信和定位裝置的嵌入式平臺上進行測試[3]。

1 系統設計與框架架構

1.1 系統設計

本設計以STM32F103ZET6為主控芯片。當按鍵被按下時，裝置啟動。通過GSM模塊向手機發出信號，同時用戶對警報信息進行判斷；通過GSM實現與用戶的信息交互，以達到實時通訊；通過GPS實現定位功能[4][5]；又加入了紅外模塊協助控制主控芯片。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

1.2 工作模式設計

設計中采用STM32F103ZET6支持的睡眠模式與平時模式[6]，按鍵在第一次觸發時設備運行的狀態稱為檢測模式，按鍵在第二次觸發時設備運行的狀態稱為警報模式，警報在沒有觸發時設備運行的狀態稱為平時模式。以下為工作模式的切換設計：

(1) 系統在上電啟動后進入監測模式，如果在設定的一段時間內再次出現按鍵裝置啟動現象，則進入警報模式；若在設定的時間內沒有任何異動發生，則系統自動切換到平時模式。[7]

(2) 系統處于平時模式時，系統內核停止工作，系統可以被按鍵裝置開啟進入檢測模式。

系統通過三種工作模式的切換來降低功耗。工作模式切換如圖2所示。

圖2 工作模式切換示意圖

1.3 系統報警策略設計

本設計改進了系統報警策略以解決普遍存在的誤報率高的問題。

(1) 物理干涉。設計員經過對3-8歲的不同年齡段的孩子進行力量測試，取得平均值，提高了按鍵強度，使之不會因為小動作觸碰而導致工作模式的改變及求救發出，又解決了因為閾值過大導致警報不能及時發出的問題。

(2) 本設計通過算法設計來實現報警策略的第二次判斷。使監控模塊能自動對警報的一些情況進行初步分析和判斷，改善了誤報情況的發生。監控模塊依據這一算法濾掉可能引起警報啟動的正常因素，比如孩子在一起玩鬧，不經意碰到，或者摔倒導致的按鍵啟動；顛簸引起的半規矩性按鍵啟動。模塊忽略此類異動后，進入正常檢測狀態。

(3) 本設計采用了兩種工作環境，在第一觸碰按鍵時不會造成警報，只是變為檢測模式。在之后的檢測時間內，出現了第二次報警狀況，才對手機發出緊急警報指令。在主控芯片的控制下通過GSM模塊發送消息到受警者(接受警報信號的人，即短信接收端)手機[8]，受警者收到短信后，依據對使用者所處狀況做出判斷，具體判斷情況如下：

如果是自然環境因素導致使用者需要穿衣或是收攏衣服而導致觸發警報，同時受警者能確認使用者的安全問題，可通過短信回復命令來忽略本次警報同時進入警報模式；

如果受警者判斷使用者危險，則短信回復命令使模塊進入警報模式，通過GPS以及GSM模塊協作[9]，每隔相同時間就發送位置信息到受警者手機[10]。

通過上述報警策略，在保證精確定位同時又能降低誤報率和對人工判斷的依賴性。報警策略流程圖如圖3所示。

圖3 報警策略設計圖

1.4 系統解除警報設計

為了使裝置能夠在非危險情況下，以及在危險解除情況下解除警報狀態，本系統中設計了兩種解除模塊報警的方式：

(1) 通過手機短信來解除警報狀態：在模塊進入警報狀態后保持檢測用戶的短信命令，通過短信發送sleep可以控制模塊進入平時模式。

(2) 通過紅外遙控器協助解除警報狀態控制模塊進入平時模式。

解除報警設計對裝置進行解除報警，如圖4所示。

圖4 解除報警設計圖

1.5 隱蔽性、可拆卸達成策略

本設計為金屬材質，使裝置體積做到盡量小。并在邊緣不影響設備操作的部分區域對稱打孔，將該裝置固定在等大的粘扣上。來達到在衣服上固定、不易丟失并且隱蔽的特點。

2 系統硬件組成設計

2.1 主控芯片設計

本設計從芯片上引出了兩個串口來實現對各個模塊的控制，使之連成一個整體，實現預設目的。外部只保留一個按鍵來實現電源的開關和警報的輸出、信息的發送。又使用了芯片上的兩個引腳來實現對電源的通斷的控制[11]。

2.2 主控芯片與GPS模塊的連接與通信

此處使用ATK-NEO-6M GPS模塊作為本設計中的定位模塊。該模塊可以通過串口進行參數的配置并設定其工作狀態，來達到功能的實現。開機后對GPS初始化，初始化完成后，GPS系統與衛星形成關聯，能夠得到有效信息，返回芯片，經過處理后將所得信息有效部分發送至受警者手機，實現GPS與GSM的交互，操作簡單也有效地達到了期望目的[12]。

2.3 主控芯片與GSM模塊的連接與通信

因為某些偏遠山區網絡的不發達，故使用了經典的GSM模塊，此處使用“全球鷹-SIM900A”GSM模塊作為本設計中的GSM模塊。該模塊可以做到對其進行簡單的編程，可以很好的實現短信的實時傳輸，能夠很好的適應核心芯片和實現預設目的[13]。

2.4 硬件設計電路

為進一步節省功耗，設計者使用圖5所示的控制電路對GSM、GPS模塊進行控制。只有進入警報模式后，主控芯片才會控制接通GPS，使其開始工作。

圖5 電源控制電路圖

3 測試效果

3.1 誤報測試

測試中以輕微的觸碰和穿脫衣服模擬產生誤報信號，監控模塊32%未從模式中喚醒，56%從模式中喚醒，不過由于算法這一模塊的存在，導致裝置沒有進入警報模式而是等待后續信號以完成之后的判斷。如果之后沒有預保留信號的輸入，5分鐘后裝置進入平時模式。

3.2 報警測試

測試中以連續多次有效按鍵模擬報警信號，排除預保留信號的前提下，裝置向受警者發送信息，得到受警者確認后向受警者發送位置信息。實驗表明，在引入算法后，誤報率高的問題有了明顯的改善，因為各種模式切換和電路的再開發，實現了耗電量低的特點。實現了長期工作的目的。由于上電后裝置需要時間來啟動，所以裝置在被觸發后有一段時間的延遲。

3.3 耗能測試

經統計，市面上大多數類似裝置只能用大概8小時左右，在絕對待機的情況下只能維持20小時。經過使用多種工作模式自動切換以及控制GSM與GPS電源的方式，確實做到了極大地提高續航時間。[14][15]

3.4 隱蔽性測試

設計者和同學將其戴在身上10天，沒有人被問到關于本設備的問題，沒有引起大家的注意，證實隱蔽性良好。

3.5 可拆卸測試

設計者將該裝置固定在不同材質的衣服上。在將公扣縫在所需衣物上時，附著效果良好，可重復利用50次以上。在沒有公扣的前提下，除了毛衣效果一般，其他非毛料衣物效果很差。

4 總結

為實現對弱勢群體(老人，女性，小孩)的精神和身體的保護，設計了一套基于GSM和GPS的嵌入式通訊系統。使用一鍵式通訊技術達到了提高交互性的目的。又使用了不同的工作模式來應對不同的狀態，并且設計新電路來達到對GSM與GPS電源的控制來節省功耗。本設計另外特點就是隱蔽性好和可拆卸。可拆卸的特點使之達到了多次利用的目的。而隱蔽性好使得使用者在遇到危險時，裝置不會在第一時間被犯罪分子拆毀而起不到應有的效果。測試結果表明本設計能達到多次利用，消除了絕大部分的誤報，提高了可交互性，且功耗極低，隱蔽性良好。因此達到了設計要求。