基于STM32的老人跌倒預(yù)防與監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

吳昱寧

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130061）

0 引言

因此，急需設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崟r(shí)了解老年人行走狀態(tài)并對(duì)跌倒風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警、跌倒后能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)的裝置。

1 總體設(shè)計(jì)（方案）

本系統(tǒng)以STM32ZET6單片機(jī)為核心，采用三軸加速度傳感器ADXL345檢測(cè)人體傾角進(jìn)行跌倒自動(dòng)檢測(cè)，利用HC_SR04超聲傳感器來檢測(cè)老人與前方和下方障礙物的距離，通過SYN6288中文語音合成芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人行動(dòng)狀態(tài)的提示與跌倒后的報(bào)警，并由TJC4024T032_011R電阻式觸摸屏進(jìn)行障礙物距離與人體傾角的顯示并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，LED燈進(jìn)行狀態(tài)顯示，設(shè)置光敏電阻實(shí)現(xiàn)燈光控制，以便在黑暗條件下自動(dòng)提供照明。通過取合適的算法，對(duì)于傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以保持結(jié)果的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

其工作過程為：

通過STM32自帶的滴答計(jì)時(shí)器，每隔0.1s判斷一次障礙物距離和人體傾角；

若傾角小于60°且前方與下方障礙物均位于設(shè)定的閾值外，系統(tǒng)正常工作；

若傾角小于60°，前方或下方監(jiān)測(cè)到障礙物距離小于設(shè)定閾值，系統(tǒng)通過語音播報(bào)障礙物位置且指示燈閃爍；

若傾角大于60°且保持3s以上，系統(tǒng)通過語音播報(bào)老人摔倒，指示燈全亮且進(jìn)入報(bào)警模式。

1.5.4 PCR法敏感性試驗(yàn) 采用上述反應(yīng)體系和條件，將提取的華支睪吸蟲囊蚴DNA按1∶10倍比例稀釋后作為模板，以雙蒸水為模板做空白對(duì)照進(jìn)行PCR擴(kuò)增，進(jìn)行2%瓊脂糖凝膠電泳，利用凝膠成像系統(tǒng)觀察擴(kuò)增產(chǎn)物并成像。

所設(shè)參數(shù)可根據(jù)使用者具體情況進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)還帶有光控?zé)簦ㄟ^光線強(qiáng)弱控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在夜晚?xiàng)l件下的自動(dòng)照明。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)模塊

以 STM32F103ZET型單片機(jī)為核心，參考其典型接線，組成最小系統(tǒng)。該單片機(jī)使用Cortex-M3內(nèi)核，主頻可達(dá)72MHz，利用其優(yōu)越性能，保證了對(duì)障礙物信號(hào)及傾角測(cè)量信號(hào)的高精度運(yùn)算處理，使系統(tǒng)及時(shí)做出響應(yīng)。

2.2 姿態(tài)傾角檢測(cè)模塊

采用三軸加速度傳感器ADXL345，通過測(cè)量x、y、z軸加速度ax、ay、az，經(jīng)過運(yùn)算，即可得到三軸傾角大小，再由系統(tǒng)處理，從而判斷人體狀態(tài)。

2.3 障礙物檢測(cè)模塊

采用兩個(gè)超聲傳感器HC-SR04分別實(shí)現(xiàn)前方與下方障礙物檢測(cè)，并將測(cè)量到的距離信息實(shí)時(shí)傳送到單片機(jī)模塊進(jìn)行處理，該型號(hào)傳感器采用非接觸式距離感測(cè)，測(cè)距范圍大，測(cè)量精度高[4]。

由于在采集過程中無法保證傳感器保持靜止，采集數(shù)據(jù)會(huì)有跳變，考慮到本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性并沒有過高要求，為提升用戶體驗(yàn)，濾除粗大誤差，故對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波處理，即將十次采集數(shù)據(jù)yi(k)取平均值后輸出，均值濾波仿真效果如下圖2所示：

圖2 均值濾波

可見其對(duì)隨機(jī)干擾有極好的抑制作用。

2.4 語音提示模塊

語音提示模塊由SYN6288中文語音合成芯片來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測(cè)到前方或下方障礙物距離小于設(shè)定值時(shí)，通過語音模塊發(fā)出提示信息，提示老人注意；當(dāng)系統(tǒng)判斷老人有摔倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，語音模塊發(fā)出報(bào)警求救信息。

2.5 顯示與人機(jī)交互模塊

顯示與人機(jī)交互模塊顯示三個(gè)界面，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)啟動(dòng)、檢測(cè)是否摔倒或有障礙物和摔倒后的報(bào)警。其中，摔倒后報(bào)警界面需人工手動(dòng)復(fù)位，以保證老人已被扶起。

2.6 光敏與LED模塊

利用光敏器件，通過測(cè)量外界光線的強(qiáng)弱，控制燈的亮滅，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的自動(dòng)照明。系統(tǒng)工作狀態(tài)提示通過三個(gè)獨(dú)立連接的LED二極管來實(shí)現(xiàn)，其工作模式與閃爍方式一一對(duì)應(yīng)[5]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 超聲波測(cè)距

前方距離測(cè)量：在裝置前設(shè)置障礙物，從5cm至60cm每進(jìn)行取值，分別進(jìn)行5次測(cè)量，得出其平均值如下表1所示。

表1 前方距離測(cè)量（cm）

下方距離測(cè)量：在裝置前設(shè)置障礙物，從5cm至60cm進(jìn)行取值，分別進(jìn)行5次測(cè)量，得出其平均值如下表2所示。

表2 下方距離測(cè)量（cm）

由實(shí)測(cè)結(jié)果可見，大部分?jǐn)?shù)據(jù)位于可接受誤差范圍內(nèi)，極個(gè)別數(shù)據(jù)偏差稍大，且在測(cè)試中跟蹤所需時(shí)間偏長，但可穩(wěn)定測(cè)量出結(jié)果。

觀察平均值，數(shù)據(jù)位于技術(shù)指標(biāo)要求范圍內(nèi)，可認(rèn)為該模塊達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 傾角測(cè)量

在5°至80°之間進(jìn)行取值，分別進(jìn)行5次測(cè)量，得出其角度平均值如下表3所示。

表3 角度測(cè)量（°）

可見，角度測(cè)量值都能在允許的誤差范圍，能夠滿足要求。

3.3 狀態(tài)切換測(cè)試

連接虛擬示波器，改變前方和下方障礙物距離，觀察裝置的工作狀態(tài)，結(jié)果如下：

可見，當(dāng)距離下降至警戒范圍時(shí)，flag立即響應(yīng)，狀態(tài)切換迅速，滿足要求。

圖3 工作狀態(tài)測(cè)試圖

3.4 光敏模塊

調(diào)節(jié)光線亮度，對(duì)光敏電阻電壓值進(jìn)行采樣，測(cè)試結(jié)果如圖4。由此可見，隨光線增加，采集的電壓變小，flag位置低，燈滅；隨光線減小，采集的電壓變大，flag位置高，燈亮。狀態(tài)切換迅速，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 光敏模塊測(cè)試

3.5 測(cè)試裝置

測(cè)試裝置實(shí)物如下圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物

4 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該裝置設(shè)計(jì)可行性強(qiáng)，能夠穩(wěn)定工作，定位準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)可靠性高，易于老人操作和使用，對(duì)預(yù)防老人跌到、提高老人生活質(zhì)量起到很大作用，具有良好的應(yīng)用前景。