老人摔倒實時保護智能腰帶

馬華彬 王臣煒 韓桂明

【關鍵詞】智能腰帶;精準;保護;可穿戴設備;嵌入式

我國于20世紀末進入老齡化社會，預計到2050年將進入深度老齡化階段，成為老齡化程度最嚴重的國家[1]，這也將從多方面給我國社會帶來巨大的壓力和挑戰。整個國際社會都在關注老齡化問題，而一直以來，老年人失蹤、跌倒事件頻頻發生，其造成的后果十分嚴重。于是，老年人的安全監護成了一個突出的社會性問題[2]。隨著年紀增長，老年人身體機能下降并伴隨多種老年性疾病，使之在日常生活中更容易跌倒，解決此問題的核心技術便是跌倒檢測技術與保護裝置。此外，當前社會老年人跌倒后無人敢攙扶、無人敢救，漸漸成為一種普遍的社會現象，在這種情況下，跌倒對老年人來說更是致命的。如何在信任危機日益嚴重的社會中維護老年人的生命健康權利，成為日漸重要的議題。因此針對老年人對安全保證的迫切需求，利用電子信息技術對于解決此問題有著極大的社會價值。

一、系統總體方案

STM32F411CEU6作為本設計的主控芯片，利用芯片的IIC外設接口對MPU6050陀螺儀和BMP280氣壓計的數據采集和AT24C02進行數據存儲;利用USART串口接口對SIM800無線通信通訊物聯網核心板進行數據的交換，通過STM32F411CEU6芯片的USART串口接口發送AT指令，將SIM800無線通信通訊物聯網核心板所采集到的位置信息返回給控制中心進行處理，當檢測到老人發生危險時，也由SIM800無線通信通訊物聯網核心板向老人的監護人發送緊急求救短信，并通過蜂鳴器進行報警，引起周邊人的注意，實施救援。

電源模塊設計：在本設計中STM32F411CEU6芯片的工作電壓在1.7V～3.6V之間，而平時使用的鋰電池的電壓是4.2V，超過了該芯片最大的工作電壓，所以必須加個降壓穩壓電路，為了方便，我們用了AMS1117-3.3芯片把電壓降至3.3V。又由于SIM800模塊的啟動電壓和啟動電流要求較高需要到5V的電壓和1A的電流，所以采取的方案是將兩節鋰電池串聯。

顯示模塊設計：OLED12864液晶顯示屏。之所以它叫OLED12864，是因為它的分辨率就是128*64，是由128*64個點組成的顯示，可以通過程序來控制這些點的顯示效果，構成更完美的人交互界面。OLED12864具有8位并行、2線或者3線串行多種接口方式，由于并行驅動占用IO口較多，所以本項目采用的是穿行SPI的驅動方式。OLED的工作電壓為3.0V～5V，我們這里為了降低功耗所以用了3.3V。

MPU6050陀螺儀設計：MPU6050在本項目中起到至關重要的作用，沒有了它，該項目就無法對老人姿態進行檢測。MPU6050是世界上第一款集成6軸設備，內部集成了3軸陀螺儀與3軸加速度計，和一個數字處理器，體積封裝雖小，但是功能強大。MPU6050通過IIC接口與單片機進行通信，可以通過不同的指令進行讀寫操作。MPU6050的工作電壓范圍是2.5V～3.6V，該設計用了3.3V的電壓對其供電。內部也集成了可編程的外部中斷，如自由落體中斷、敲擊響應中斷、搖動感應中斷。因此MPU6050被廣泛用于手機、攝影云臺、四軸飛控等領域。

GPS定位模塊設計：在本設計中我們采用的GPS定位模塊是杭州中科微電子的ATGM336H，該模塊是第三代北斗+GPS雙模導航定位，支持多種衛星導航系統。該模塊具有高靈敏度、低功耗等優勢。適用于導航和可穿戴設備，據了解，許多共享單車都用的該模塊。該模塊的工作電壓范圍是2.7V～3.6V，該設計用的是3.3V，剛好在正常工作電壓范圍內。該模塊還內置天線檢測及天線短路功能為開發和設計節省了大量時間。通信方式主要是以串口的方式，直接發送AT指令來控制和獲取數據，簡單方便。為了降低功耗，本設計還利用RT9193電源管理芯片對該模塊電源的獨立控制，在檢測到老人沒佩戴或者不移動時可以通過IO的高低點平對電源模塊進行使能、失能操作

二、系統軟件概述

本系統軟件部分是由：系統初始化、外部硬件初始化、開啟定時器、外部中斷給相關寄存器賦初值。配置MPU6050陀螺儀，BMP280氣壓計，讓其工作。配置完后進入循環中斷系統，首先進入的是通過AD采集光敏電阻電壓后檢測佩戴，若檢測到未佩戴模式，則進入低功耗模式，關閉無須工作的外設，從而達到低功耗目的，若檢測到為佩戴狀態則運行后續。定時器采集MPU6050陀螺儀數據和BMP280數據進行數據融合，通過算法得出老人姿態，然后進行信號觸發，信號觸發后進行警報，以及發送短信求救。

三、瞬間閃護系統

由于老人年齡的增長，反應速度越來越慢，在遇到摔倒這種突發情況時，老人佩戴的摔倒實時保護腰帶會瞬間產生響應，并在老人失去平衡的瞬間觸發智能防護系統，進行有效地保護。這套系統不受環境和運動的限制，老人穿戴該腰帶時可以進行一切有益于身體健康的運動。

四、智能防護系統

該系統主要包括氣囊和氣瓶，可以實現通過接收到瞬間閃護系統的觸發信號，進行氣瓶與氣囊之間的智能充氣，既可以最大限度滿足老人摔倒防護需求，也可以讓老人在摔倒時不必受到痛苦的折磨，而是在摔倒在地時有舒適的氣囊進行保護。

五、智能報警系統

目前遠程報警可以分為兩類，一類是老人摔倒時對移動端發送的緊急指令。另一類是老人摔倒后，報警裝置啟動，吸引周圍人的注意，進行有效的救助，簡單講就是對老人的身體健康進行實時監控，即對老人摔倒時的緊急提醒，也就是目前市場上常說的安全報警系統。

六、結論

本腰帶體積小，佩戴方便，老人佩戴該裝置不受氣候、時間、運動等因素的限制，可以每天起床時像衣服一樣穿戴并進行工作，且觸發精度高。這款產品能在一定程度上減輕老人摔倒時受到的沖擊力。這項研究技術能服務于老人的生活，用智能科技改善老人的生活質量。這次的設計從最開始的靈感到落定計劃再到實施最后到完成，經過長達一年的制作過程，最終完成了智能腰帶的設計。