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跌倒管家——遠程跌倒老人監護系統的設計與實現*

作者:周思亦,于洋,孟凡樂,季亞鑫,張毅霖,穆衛衛,姜浩睿(天津師范大學 計算機與信息工程學院、軟件學院,天津 300387)時間:2021-10-11來源:電子產品世界收藏

*項目來源:天津師范大學大學生創新創業訓練計劃項目(目編號:202010065324)

本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202110/428747.htm

作者簡介:周思亦(1999—),男,河南濮陽市人,在讀大學生。

通信作者:于洋(1987—),男,天津市人,研究生,天津師范大學計算機與信息工程學院實驗師,主要研究方向:智能控制、智能計算。E-mail:452410762@qq.com。

摘要:針對老人獨居狀況下出現的意外頻發、后無人發現、老人狀態子女難以掌握等現象,本文過多傳感器融合、通信、大數據、人工智能等技術研發出一個以老人是否摔倒進行實時監測為主要功能的關懷老人的智能穿戴設備(腰帶)和配套APP。當老年人在移動過程中出現傾斜摔倒姿態時,腰帶中的傳感器能快速檢測到活動狀態異常并通過WiFi或4G網絡向阿里云傳輸信息,經過阿里云的處理和轉發,子女手機將接收到包含位置、心率和時間等重要救援信息的警示提醒,這將使得老年人摔倒后無人救助的概率大大降低,并顯著改善老年人的生活狀態,后期可推廣到智能穿戴設備市場。

導師評語:本論文選題有很強的應用價值,文獻材料收集詳實,綜合運用了所學知識解決問題,所得數據合理,結論正確,有創新見解。另外論文格式正確,書寫規范,條理清晰,語言流暢。該論文的文獻調研全面系統,立題指導思想明確,實驗設計合理可行,能夠按照實驗計劃進行,并達到預期效果。

0   引言

在我國,是65 歲以上老人意外傷害的首要原因[1]。然而跌倒的時間、地點不確定性以及難以預防性給老年人跌倒后的施救工作帶來實際困難。因此本文所描述的系統設計將從實際問題出發,設計出一款老年人活動實時監管的跌倒管家,實時監控老人的動態,實現跌倒、快速救援、減少傷害等效用。預期將有效解決無人監管的老年人的安全問題,增強社會的和諧穩定,因受眾人數巨大,推廣后預期將有較大的市場空間。

1   功能簡介

當老年人行走時,若偶遇突發事件致使老人摔倒,系統在摔倒的瞬間,加速度傳感器、慣性傳感器會及時輸出數據,通過腰部單片機(MCU)分析與計算加速度的變化數據來實現摔倒的檢測。在老人摔倒的過程中,老人腰部傳感器的加速度數值與正常數值相比會迅速變化,即可很好地判斷出老人是否摔倒。識別摔倒后系統會啟動GPS 模塊把地理位置信息發送到云端,云端進行二次檢測處理后發送給緊急聯系人,腰帶在跌倒的瞬間發出聲。

2   硬件系統設計

系統的硬件部分主要包括:STM32 野火霸道V1 開發板、JQ8900 8400 MP3 語音播放模塊、GY-521MPU6050 三維角度模塊、ESP-8266 WiFi 模塊、HC-05 藍牙模塊、SIM800C 模塊、有源蜂鳴器模塊、心率傳感器。

2.1 跌倒定位預警功能設計

WiFi 模塊有3 種工作模式:STA、AP 和STA/A,使得WiFi 部分兼具連接熱點和發送熱點兩種功能[2]。在有WiFi 信號條件下,在云平臺注冊過的設備可以直接向云平臺發送數據,包括藍牙端所測量的所有角度數據。當數據出現異常時,便會將數據上傳到云平臺并進行保存,同時通過WiFi 向子女端發送警告信息,子女可以看到從云平臺傳輸下來的角度數據、壓力數據以及老人的所在位置。阿里云平臺提供了關于GPS 定位的相關控制臺組件,通過開發板上的GPS 模塊發送的相關經度緯度高度數據,以確定其在地圖上的位置,并以圖形化界面直觀顯示,方便子女在收到預警后及時對老人進行救助,如圖1 所示。

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圖1 參數設置圖

2.2 求救功能設計

2.2.1 按鍵語音求救功能設計

該系統的硬件模塊主要包括:JQ8900 8400 MP3 語音播放模塊、按鍵開關模塊、揚聲器。JQ8900-16P 使用SoC 解決方案,該解決方案集成了16 位MCU 和專門用于音頻解碼的ADSP[3]。硬解碼方法可確保系統的穩定性和聲音質量。當老人在室外跌倒時,可以用手按下腰帶上的按鍵開關模塊,當按鍵時就會觸發JQ89008400 MP3 語音模塊播放相應的求救語音,提醒周圍的人給予幫助。如果老人誤觸按鍵,再按一下即可取消。

2.2.2 跌倒報警功能設計

該系統的硬件模塊主要包括:STM32 野火霸道V1開發板、GY-521MPU6050 三維角度傳感器、HC-05藍牙模塊、SIM800C 模塊、有源蜂鳴器模塊。單片機根據GY-521MPU6050 三維角度傳感器檢測值判斷出老人跌倒時,會立即向有源蜂鳴器發送一個高電平觸發蜂鳴器報警,第一時間引起周圍人的注意。SIM800C 模塊與單片機串口直接連接,根據硬件設計手冊需進行3.3 V 電平匹配,將模塊與單片機串口之間接1 kΩ 電阻,模塊RX 腳接5.6 kΩ 電阻到地,以實現簡單的電平匹配[4]。老人跌倒時,單片機還控制SIM800C模塊向老人子女的手機發送老人已跌倒的短信,通知子女立即前來救助老人。此外,單片機還會將老人跌倒信息通過藍牙模塊發送至老人手機端,手機端的APP 也會相應報警。

2.3 心率檢測功能設計

該系統的硬件模塊主要包括:STM32F103C8T6 開發板、心率傳感器(如圖2)。傳感器具有3 個引腳,分別是信號輸出引腳S、正電源VCC 和負電源GND,它們可以通過杜邦線連接到單片機[5]。采樣數據處理算法:心率是指1 min 內的心跳數。獲取心率的傳統方法是計算1 min 后的脈搏數。但是在這種情況下,必須監測1 min 才能進行每次心率測量,以獲低效的結果。另一種方法是測量2 個相鄰脈沖之間的時間間隔,然后將該間隔除以1 min 以獲取心率。本文使用后者可以實時高效地計算脈沖。BPM(心率):1 min 內的心跳次數。BPM=60/IBI[6]。其中IBI:相鄰兩次脈搏的時間間隔,單位:s。當老人需要了解自己的心率時,可以將食指輕輕放在皮帶上的心率傳感器上,等待一段時間后即可測出心率,心率值將通過藍牙模塊發送至手機端中的APP 上顯示并判斷是否正常。

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圖2 心率傳感器電路圖

3   軟件設計與實現

3.1 總體設計

啟動本系統后,腰帶主動連接WiFi 和藍牙,并開始接收傳輸的信息,進行初步的判斷,如果初步判斷老人跌倒就將報警信息(含有老人地理位置,心率信息)發送至云端,進行進一步處理和存儲(如圖3)。

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圖3 主系統流程圖

3.2 老人端軟件功能設計

首先,老人端APP 可以自主連接藍牙設備,在與腰帶建立連接后,其可接收腰帶中的藍牙模塊所傳輸的跌倒信號及老人心率數值。老人端APP 接收到跌倒信號后,自動解析跌倒信號,若判斷為非法數據,手機將自動發出警報聲并且向已綁定的子女端APP 發送該跌倒信號。其次,老人端APP 每隔2 s 會接收1 次心率數值并向已綁定的子女端APP 發送心率值。最后,系統還會根據收到的心率數值自動分析安全性,并在界面中加以提示。

3.3 子女端軟件功能設計

子女端APP 中預先與連接老人端APP 相互綁定。子女端APP 能夠接收老人端APP 傳輸的跌倒信號以及老人心率數值。當接收到老人摔倒的數據后,手機將自動發出警報聲。子女端可以手動設置警報的震動間隔以及警報聲音的播放時長。子女端APP 每隔2 s 會接收1次心率數值,可在心率顯示界面實時查看到老人的心率,系統還會根據收到的心率數值自動分析安全性,并在界面中加以提示(如圖4)。

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圖4 子女端APP軟件工作流程圖

3.4 主界面實現

主界面由老人跌倒檢測標簽、正能量激勵標簽、心率顯示按鈕、關閉警報按鈕、連接藍牙按鈕、斷開連接按鈕以及震動時長和間隔調整的水平滑動條組成。

3.5 跌倒判定算法設計

3.5.1 算法概述

人體跌倒行為主要分為:向前、向后、向左、向右跌倒等。無論如何跌倒,人體加速度以及人體傾斜角度均會發生不同程度的異動。此系統采用基于閾值判斷的啟發式算法[7] 來判斷人體是否跌倒。

3.5.2 啟發式算法

基于閾值判斷算法的關鍵在于擇優的閾值選取,通過將多組跌倒數據錄入系統,基于啟發式算法中的蟻群算法[8],系統可以計算出近似最優閾值。

3.5.3 算法設計思想

在人體跌倒時,人體加速度會大幅度發生波動,同時人體傾斜角度大幅度改變。跌倒數秒后,人體加速度恢復穩定并且人體傾斜角度不再發生改變,此時可以判斷人體跌倒。當系統檢測到人體加速度a 大幅度異動時,系統會記錄n1 秒內加速度峰值a1、此時時間t1,并且檢測n2秒內是否有新的加速度峰值a2、此時時間t2 若檢測到第2 個加速度峰值a2,系統會分別計算a1 和a2 的方向,然后計算t1 ~ t2 秒的傾角大小q,若傾角大小q >閾值qv 并且|a2-a1| >閾值av,那么可以判斷人體發生跌倒,整體算法流程如圖5 所示。

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圖6 跌倒判定算法流程圖

4   系統測試及結果

4.1 測試方法

本系統測試采用RESTful WebAPI 自動化測試[9],對老人的各種行為進行模擬測試,例如:上樓、下樓、彎腰、向前摔倒、向后摔倒、側面摔倒以及飛撲等,并且測試了系統硬件隨著距離改變而對性能產生的影響。本系統采用黑盒測試[10]對軟件的藍牙連接模塊以及心率顯示模塊進行測試,經過測試模塊全部正常運行。

4.2 測試結果

由實驗可知,如表1 所示,系統響應速度隨著手機與穿戴設備之間位移的增加而出現響應速度的下降,所以此系統的最佳使用距離為4 m 左右。

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由實驗數據表2 分析可知,系統信號強度隨著兩設備之間位移的增加而出現響應速度下降和信號強度下降,所以在使用此系統時,兩設備應盡量保持較近的距離,以獲得更快的響應速度。

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5   結束語

本文通過多傳感器融合、通信、大數據技術、數據庫技術和人工智能深度學習技術研發出一個以老人是否摔倒進行實時監測為主要功能的關懷老人的智能穿戴設備(腰帶)和配套APP。當老年人在移動過程中出現傾斜摔倒姿態時,腰帶能快速檢測到活動狀態異常并通過WiFi 或4G 網絡向阿里云傳輸數據(包括位置信息、心率信息、時間信息、海拔、經緯度等),經過阿里云的處理和轉發,子女手機將接收到包含位置信息、心率信息和時間信息等重要救援信息的警示提醒,將有效解決老人摔倒后無人發現的問題,顯著改善老年人的生活狀態,有助于社會的穩定。

參考文獻:

[1] 耳玉亮,段蕾蕾,葉鵬鵬,等.2014年全國傷害監測系統老年跌倒/墜落病例特征分析[J].中華流行病學雜志,2016,37(01):24-28.

[2] 韓婉婉,姜楠,張超.穿戴式頸部姿態預防矯正儀設計探討[J].中國高新技術企業,2015(13):28-29.

[3] 周寶昌,謝智陽,梁景.基于Arduino的智能家居語音識別系統[J].數字技術與應用,2019(9):37-38,40.

[4] 韓進,馬雙.基于SIM800C的GPRS數據傳輸系統設計[J].電子產品世界,2016(11):39-42.

[5] 邱治金,藍慧雪.基于MSP430單片機的便攜式手指脈搏測試儀[J].電腦知識與技術,2020(12):236-237+253.

[6] 夏卓,王亞剛.一種基于STM32的心率檢測方法設計[J].軟件導刊,2020(7):81-84.

[7] 屠碧琪.基于多傳感融合的老人跌倒檢測算法研究[D].杭州:浙江理工大學,2017.

[8] 溫文波,杜維.蟻群算法概述[J].石油化工自動化,2002(1):19-22.

[9] 康彥.基于RobotFramework的RESTful WebAPI自動化測試框架設計與研究[J].數字技術與應用,2020,38(12):178-180,183.

[10] 李寧,李戰懷.基于黑盒測試的軟件測試策略研究與實踐[J].計算機應用研究,2009,26(03):923-926.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期)



關鍵詞: 202109 跌倒 報警

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