基于MEMS和三重定位的老年人安全報警器的研究與實現

王俊文

摘 要：當今社會，時代的發展使子女難以對父母老人進行有效陪伴;同時，隨著人口老齡化的加劇，越來越多的老年人需要進一步的社會關注。近年來，老人走丟的情況常常發生在人們周圍，為了降低老人走失率，保障老人的安全，除了公安部門和家屬的努力，更需要新興科技的加入。在智能穿戴愈來愈流行的時代，本文針對老人設計了一款穩定安全的警報器，本系統硬件主控板是基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103，搭載GSM模塊WiFi模塊，同時可實現GPS、WiFi、LBS三重定位;搭配移動客戶端軟件，使監護人能夠通過軟件平臺查看佩戴者歷史軌跡、實時位置、并可手動設置電子柵欄或可選擇根據用戶歷史軌跡智能推薦安全活動范圍;配合靈敏的慣性傳感器MEMS，通過檢測佩戴者行走步幅步頻震動頻率，能夠在老年人摔倒時及時向監護人發送信息提醒以保證老年人安全。

關鍵詞：防走失;摔倒報警; 智能定位; STM32控制

文章編號：2095-2163（2019）04-0140-04 中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

0 引 言

目前， 關于中國老人生活現狀研究的一項較新的調查統計分析表明[1]，當代中國老年人依然面臨諸多問題，包括老年人口數量持續增加，人口老齡化程度持續加深;收入水平總體不高，因老返貧、因病致貧風險較大;失能、半失能老年人口數量較大等等。截止2017年底，全國人口中60周歲及以上人口24 090萬人，占總人口17.3%，預計到2020年，老年人口達到2.48億，老齡化水平達到17.17%。根據《中國老人走失狀況白皮書》顯示：中國每年走失老人約50萬人;平均每天有1 370人，不幸的是其中有10%的老人在失蹤后永遠離開了親人。另據本次在鄭州市及周邊洛陽、開封等城市的大量市場調研以及7 000份網絡問卷調查顯示，有67%的家庭表示擔心自家年邁的老人在回家的路上迷路或者摔倒。目前市場上也鮮有任何報警類產品能有效地預防此類事件的發生，這無疑已是當今社會的痛點之一。本文對此擬做研究論述如下。

1 系統原理及產品功能實現

1.1 目前已有產品問題

國內現有傳統報警器大多是為以PIC單片機為主控制器、并結合紅外對射檢測技術和無線通信技術的短距離產品，往往沒有與監護人客戶端建立聯系，無法進行精準實時定位以及摔倒預警，更無法設置或智能推薦安全活動范圍。而能夠實現精準定位的報警器大多體積又偏大，不利于老年人隨身攜帶。使用功能復雜繁瑣的智能手環等穿戴設備也無法在第一時間迅速地向家人傳遞老人地理位置，判斷老年人的安全狀況，還有著老年人操作不便的弊端。

綜上分析可知，市場上現存的產品都存在著一些問題，對此可表述為：

（1）低親和度。操作較為復雜繁瑣，不方便老年人群使用。

（2）無法判斷老人安全狀況是否摔倒。

（3）不能及時發送用戶實時位置。

（4）無法設置或智能推薦安全范圍。

針對這些問題，結合老人的生活特點，本文研發提出了一款安全報警器。

1.2 原理設計

本作品硬件主控板是基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103[2]，搭載GSM模塊WiFi模塊，同時可實現全球定位系統（Global Positioning System， GPS）、WiFi、移動位置服務（Location Based Service， LBS）三重定位。客戶端平臺搭配電子柵欄功能，用戶可自行選擇佩戴者活動范圍。并且，軟件還可根據佩戴者的歷史活動記錄，總結出老人的生活習慣，智能推薦活動范圍以供用戶選擇;報警器采用了慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），靈敏接收佩戴者行走時震動幅度步頻，故而可在老年人摔倒時立即向監護人發送危險警示;與此同時，報警器還設計有省電模式與電量提醒功能，用戶可根據實際情況做出選擇，保證持續電能供應，并配備雙向通話功能，便于老人在緊急情況下聯系家人;在外觀設計上，用戶則根據自身喜好選擇香囊或魔術貼的方式隨身攜帶，美觀且不易丟失。本次研發中涉及的關鍵技術可闡釋分述如下。

（1）GPS+WiFi+LBS的三重定位方式。通過GSM二級模塊來傳送信息，構建手機App客戶端連接公司后臺實時傳送接收用戶地理位置信息。GSM模塊具有發送SMS短信、語音通話、GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的功能。分析可知，GPS定位系統是目前應用最廣、精度最高的定位系統，但其芯片存儲內容只有4 h的記錄，并且GPS定位時需要高壓支持，對于硬件要求較高，不建議一直使用GPS。WiFi定位是基于附近周圍的無線網絡基地臺（WiFi Access Point）的MAC地址，對比Skyhook數據庫中該MAC地址的坐標，交叉計算出所在地。因此，該種方法對于設備的硬件要求比較低。LBS[3]是移動設備測量各統計基站的下行導頻信號，得到不同基站下行導頻的到達時刻（Time of Arrival，TOA）或到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA），同時根據該測量數值并結合基站的坐標（一般采用三角公式估算法）運算求得結果。三重定位方式能夠準確實時記錄老人所處地理位置的經度及緯度，當檢測到報警器所處經、緯度超出預定好的經、緯度范圍、即電子柵欄的范圍時[4]，報警器將迅速利用GSM模塊通過最近的基站向監護人的手機發送超出安全范圍路徑的短信提醒。

（2）慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）。人體正常行走時，其加速度會周期性地呈現規則變化，而在發生跌倒時，加速度[5]會發生劇烈變化，加速度的變化可以反映出人體運動狀態的轉換，因此，當慣性傳感器檢測到老人的加速度突然超過加速度閾值、且在其后90 s內不再出現加速度波動時，報警器就會啟用GSM模塊通過最近的基站向監護人的手機發送短信通知并撥打電話。

1.3 主要功能解讀及系統優勢分析

基于本次研發的關鍵核心技術設計，最終得到的系統主要功能包括：一鍵報警、電子柵欄、摔倒警告、歷史軌跡和智能推薦路徑等。研究可得重點闡述如下。

（1）一鍵報警。當用戶遇到危險或需要求助時，可一鍵告知緊急聯系人準確位置，聯系人可第一時間預判獲知老人情況，及時找出應對辦法，降低老人遭遇危險和傷害機率。

（2）電子柵欄。通過對老人活動范圍運用歷史統計方法，繪制生成了用戶活動范圍的整體輪廓圖，如果老人走出此區域就會通知其家人，這樣就形成了一個類似圍欄的效果。當然，用戶可以自行設置活動范圍。GPS+WiFi+LBS的三重定位方式能夠準確實時記錄老人所處地理位置的經度及緯度，當檢測到報警器所處經、緯度超出預定好的經緯度、范圍、即電子柵欄邊界區域時，報警器將立即啟用GSM模塊通過最近的基站向監護人的手機發送超出安全范圍路徑的短信提醒。

（3）摔倒警告。將慣性傳感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）放入報警器中，在收集一段時間老人的生活習慣和出行規律的數據后，根據老人產生的震動，判斷加速度是否處于正常范圍，如果出現摔倒等意外情況，通過TCP/IP協議，將報警器收到的地理位置信息和步幅、步頻震動參數傳送至服務器端，當老人不慎摔倒時，軟件平臺會自動發送位置及預判得出的老人的情況提醒監護人[6]。這是基于老人本身運動狀態相對而言比較穩定，且與定位系統相結合，從而推斷出老人所處的環境以及可能出現的問題。

（4）歷史軌跡。用戶可在平臺設置保留歷史位置信息，隨時查看老人完整出行記錄，為家人安全提供更多保障。

（5）智能推薦路徑。系統可根據佩戴者活動的歷史軌跡智能規劃老年人的出行路線，使老人可以提前規避一些有著潛在不安全因素的道路，降低出行風險[7]。

（6）設計簡便，適用于老人。由于老人對電子產品在使用上存在適應周期，并且報警器需要長時間佩戴，保證續航，老人可以根據自身需要切換省電模式，報警器同時設計3種休眠省電模式（全天自動休眠、夜間自動休眠、實時開啟）與電量提醒;在外觀上，報警器小巧、且方便攜帶，不會給出行造成負擔。

2 軟硬件設計

2.1 功能模塊圖

本次研發系統的功能模塊總體設計如圖1所示。

2.2 軟件設計

2.2.1 電子柵欄

研究中，要判斷攜帶報警器的老人是否在用戶手動設定的安全活動范圍、即電子柵欄內，就是要在GIS（地理信息管理系統）中判斷一個坐標是否在多邊形內部。這里，可運用Franklin提出的PNPoly算法來運行實現，核心算法的研發代碼具體如下。

int pnpoly（int nvert， float *vertx， float *verty， float testx， float testy）

{

int i， j， c = 0;

for （i = 0， j = nvert-1; i < nvert; j = i++）

{

if （ （（verty[i]>testy） ！= （verty[j]>testy）） &&

（testx < （vertx[j]-vertx[i]） * （testy-verty[i]） / （verty[j]-verty[i]） + vertx[i]） ）

c = ！c;

}

return c;

}

2.2.2 摔倒警報

如果由傳感器發來的數據中出現異常，軟件會向聯系人發送緊急通知。對應的程序代碼詳見如下。

for （int i = triggerLst.Count - 1; i >= 0; i--）

{

[WB]if（triggerLst[i].IsValid（） == false）

[DW]{

triggerLst.alarm（i）;

continue;

}

}

2.2.3 智能推薦

目前，研究正著重開發根據用戶歷史軌跡集合智能推薦路線范圍的平臺功能。后臺會將每一位報警器攜帶者的歷史軌跡保存下來，為其生成唯一專屬的歷史軌跡集，并根據其軌跡集，將其軌跡路徑以取點定位的方法統計生成一份離散點的量度統計數據，借鑒HMM模型[8]、即隱馬爾可夫模型[9]，從可觀察的參數中確定該過程的隱含參數，然后利用這些參數來做進一步的分析，根據數據來個性化地向監護人推薦佩戴報警器的老年人經常活動的范圍。用戶可以根據研究得出的智能推薦來作為設定電子柵欄的參考。

2.3 硬件設計

2.3.1 基本信息

尺寸：約長65 mm*寬50 mm*厚18 mm;主要材質：ABS/棉布;電池：鋰聚合物電池800 mAh/3.7 V;充電輸入：DC 5 V/1 A;工作環境：0 ℃～55 ℃;網絡頻段：GSM850/900/1800/1900，GPRS。

2.3.2 電路設計

考慮到報警器的輕巧便攜及上述所需功能特點，本次研究采用STM32F103作為主控制器，搭載GSM模塊、WiFi模塊、GPS模塊、慣性傳感器MEMS以及MIC、SPK通訊設施。研究得到的產品設計結果如圖2所示。經過高精密度的模塊間集成，該系統的初代硬件集成電路實物圖即如圖3所示。

2.4 系統功能實現

國內專門針對老年人群、尤其是阿茲海默癥人群的安全報警器方面的研究仍不多見，相關產品仍較為缺乏;市面上雖已推出有智能電話、手表等穿戴設備，但并不適合學習能力相對較差的老年人群以及阿茲海默癥人群學習使用;而現今整個社會的老齡化趨勢正在逐步加劇，如何為老年人提供全程伴隨式輔助功能服務的需求也日趨迫切。因此，本文專門針對老年人群、尤其是阿茲海默癥人群研發了這款微型安全報警器，這里僅以2個核心設計作為實例，即本此研發得到的軟件平臺登錄及主界面如圖4所示，電子柵欄功能及摔倒報警功能界面則如圖5所示。這一結果也清晰表明了，本次研究將致力于幫助更多的老人，保障其每一次的安全出行。

3 結束語

中國人口老齡化越來越嚴重，老年人群日益增多，而且隨著社會生活節奏的加快，子女難以對父母老人給予全程陪伴，尤其當老年人群外出活動時，其出行安全就已成為老人子女面臨的一個重大考驗。而本系統即可有效地解決這樣的問題。本系統采用GPS、WiFi、LBS三重定位，在精確定位坐標條件下，根據老人生活習慣設置電子柵欄和推薦出行路線，并且具有摔倒報警提醒功能，及時對聯系人通報老人可能遇到的意外情況。同時，本款報警器設計精巧、方便攜帶、操作簡單，適合老年人群使用。

參考文獻

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