跌倒管家——遠(yuǎn)程跌倒老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*項(xiàng)目來(lái)源：天津師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（目編號(hào)：202010065324）

作者簡(jiǎn)介：周思亦（1999—），男，河南濮陽(yáng)市人，在讀大學(xué)生。

通信作者：于洋（1987—），男，天津市人，研究生，天津師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：智能控制、智能計(jì)算。E-mail:452410762@qq.com。

摘要：針對(duì)老人獨(dú)居狀況下出現(xiàn)的意外跌倒頻發(fā)、跌倒后無(wú)人發(fā)現(xiàn)、老人狀態(tài)子女難以掌握等現(xiàn)象，本文過(guò)多傳感器融合、通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)研發(fā)出一個(gè)以老人是否摔倒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為主要功能的關(guān)懷老人的智能穿戴設(shè)備（腰帶）和配套APP。當(dāng)老年人在移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)傾斜摔倒姿態(tài)時(shí)，腰帶中的傳感器能快速檢測(cè)到活動(dòng)狀態(tài)異常并通過(guò)WiFi或4G網(wǎng)絡(luò)向阿里云傳輸信息，經(jīng)過(guò)阿里云的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，子女手機(jī)將接收到包含位置、心率和時(shí)間等重要救援信息的警示提醒，這將使得老年人摔倒后無(wú)人救助的概率大大降低，并顯著改善老年人的生活狀態(tài)，后期可推廣到智能穿戴設(shè)備市場(chǎng)。

導(dǎo)師評(píng)語(yǔ)：本論文選題有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，文獻(xiàn)材料收集詳實(shí)，綜合運(yùn)用了所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，所得數(shù)據(jù)合理，結(jié)論正確，有創(chuàng)新見(jiàn)解。另外論文格式正確，書寫規(guī)范，條理清晰，語(yǔ)言流暢。該論文的文獻(xiàn)調(diào)研全面系統(tǒng)，立題指導(dǎo)思想明確，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理可行，能夠按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行，并達(dá)到預(yù)期效果。

0   引言

在我國(guó)，跌倒是65 歲以上老人意外傷害的首要原因^[1]。然而跌倒的時(shí)間、地點(diǎn)不確定性以及難以預(yù)防性給老年人跌倒后的施救工作帶來(lái)實(shí)際困難。因此本文所描述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，設(shè)計(jì)出一款老年人活動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)管的跌倒管家，實(shí)時(shí)監(jiān)控老人的動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)跌倒報(bào)警、快速救援、減少傷害等效用。預(yù)期將有效解決無(wú)人監(jiān)管的老年人的安全問(wèn)題，增強(qiáng)社會(huì)的和諧穩(wěn)定，因受眾人數(shù)巨大，推廣后預(yù)期將有較大的市場(chǎng)空間。

1   功能簡(jiǎn)介

當(dāng)老年人行走時(shí)，若偶遇突發(fā)事件致使老人摔倒，系統(tǒng)在摔倒的瞬間，加速度傳感器、慣性傳感器會(huì)及時(shí)輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)腰部單片機(jī)（MCU）分析與計(jì)算加速度的變化數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)摔倒的檢測(cè)。在老人摔倒的過(guò)程中，老人腰部傳感器的加速度數(shù)值與正常數(shù)值相比會(huì)迅速變化，即可很好地判斷出老人是否摔倒。識(shí)別摔倒后系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)GPS 模塊把地理位置信息發(fā)送到云端，云端進(jìn)行二次檢測(cè)處理后發(fā)送給緊急聯(lián)系人，腰帶在跌倒的瞬間發(fā)出報(bào)警聲。

2   硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括：STM32 野火霸道V1 開(kāi)發(fā)板、JQ8900 8400 MP3 語(yǔ)音播放模塊、GY-521MPU6050 三維角度模塊、ESP-8266 WiFi 模塊、HC-05 藍(lán)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(yù)警功能設(shè)計(jì)

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(diǎn)和發(fā)送熱點(diǎn)兩種功能^[2]。在有WiFi 信號(hào)條件下，在云平臺(tái)注冊(cè)過(guò)的設(shè)備可以直接向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，包括藍(lán)牙端所測(cè)量的所有角度數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，便會(huì)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)并進(jìn)行保存，同時(shí)通過(guò)WiFi 向子女端發(fā)送警告信息，子女可以看到從云平臺(tái)傳輸下來(lái)的角度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)以及老人的所在位置。阿里云平臺(tái)提供了關(guān)于GPS 定位的相關(guān)控制臺(tái)組件，通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的GPS 模塊發(fā)送的相關(guān)經(jīng)度緯度高度數(shù)據(jù)，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(yù)警后及時(shí)對(duì)老人進(jìn)行救助，如圖1 所示。

圖1 參數(shù)設(shè)置圖

2.2 報(bào)警求救功能設(shè)計(jì)

2.2.1 按鍵語(yǔ)音求救功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：JQ8900 8400 MP3 語(yǔ)音播放模塊、按鍵開(kāi)關(guān)模塊、揚(yáng)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(tǒng)的穩(wěn)定性和聲音質(zhì)量。當(dāng)老人在室外跌倒時(shí)，可以用手按下腰帶上的按鍵開(kāi)關(guān)模塊，當(dāng)按鍵時(shí)就會(huì)觸發(fā)JQ89008400 MP3 語(yǔ)音模塊播放相應(yīng)的求救語(yǔ)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(bào)警功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：STM32 野火霸道V1開(kāi)發(fā)板、GY-521MPU6050 三維角度傳感器、HC-05藍(lán)牙模塊、SIM800C 模塊、有源蜂鳴器模塊。單片機(jī)根據(jù)GY-521MPU6050 三維角度傳感器檢測(cè)值判斷出老人跌倒時(shí)，會(huì)立即向有源蜂鳴器發(fā)送一個(gè)高電平觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，第一時(shí)間引起周圍人的注意。SIM800C 模塊與單片機(jī)串口直接連接，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)手冊(cè)需進(jìn)行3.3 V 電平匹配，將模塊與單片機(jī)串口之間接1 kΩ 電阻，模塊RX 腳接5.6 kΩ 電阻到地，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電平匹配^[4]。老人跌倒時(shí)，單片機(jī)還控制SIM800C模塊向老人子女的手機(jī)發(fā)送老人已跌倒的短信，通知子女立即前來(lái)救助老人。此外，單片機(jī)還會(huì)將老人跌倒信息通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至老人手機(jī)端，手機(jī)端的APP 也會(huì)相應(yīng)報(bào)警。

2.3 心率檢測(cè)功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：STM32F103C8T6 開(kāi)發(fā)板、心率傳感器（如圖2）。傳感器具有3 個(gè)引腳，分別是信號(hào)輸出引腳S、正電源VCC 和負(fù)電源GND，它們可以通過(guò)杜邦線連接到單片機(jī)^[5]。采樣數(shù)據(jù)處理算法：心率是指1 min 內(nèi)的心跳數(shù)。獲取心率的傳統(tǒng)方法是計(jì)算1 min 后的脈搏數(shù)。但是在這種情況下，必須監(jiān)測(cè)1 min 才能進(jìn)行每次心率測(cè)量，以獲低效的結(jié)果。另一種方法是測(cè)量2 個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)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(shí)時(shí)高效地計(jì)算脈沖。BPM（心率）：1 min 內(nèi)的心跳次數(shù)。BPM=60/IBI[6]。其中IBI：相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔，單位：s。當(dāng)老人需要了解自己的心率時(shí)，可以將食指輕輕放在皮帶上的心率傳感器上，等待一段時(shí)間后即可測(cè)出心率，心率值將通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)端中的APP 上顯示并判斷是否正常。

圖2 心率傳感器電路圖

3   軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

啟動(dòng)本系統(tǒng)后，腰帶主動(dòng)連接WiFi 和藍(lán)牙，并開(kāi)始接收傳輸?shù)男畔?，進(jìn)行初步的判斷，如果初步判斷老人跌倒就將報(bào)警信息（含有老人地理位置，心率信息）發(fā)送至云端，進(jìn)行進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)（如圖3）。

圖3 主系統(tǒng)流程圖

3.2 老人端軟件功能設(shè)計(jì)

首先，老人端APP 可以自主連接藍(lán)牙設(shè)備，在與腰帶建立連接后，其可接收腰帶中的藍(lán)牙模塊所傳輸?shù)牡剐盘?hào)及老人心率數(shù)值。老人端APP 接收到跌倒信號(hào)后，自動(dòng)解析跌倒信號(hào)，若判斷為非法數(shù)據(jù)，手機(jī)將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲并且向已綁定的子女端APP 發(fā)送該跌倒信號(hào)。其次，老人端APP 每隔2 s 會(huì)接收1 次心率數(shù)值并向已綁定的子女端APP 發(fā)送心率值。最后，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)收到的心率數(shù)值自動(dòng)分析安全性，并在界面中加以提示。

3.3 子女端軟件功能設(shè)計(jì)

子女端APP 中預(yù)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?shù)牡剐盘?hào)以及老人心率數(shù)值。當(dāng)接收到老人摔倒的數(shù)據(jù)后，手機(jī)將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲。子女端可以手動(dòng)設(shè)置警報(bào)的震動(dòng)間隔以及警報(bào)聲音的播放時(shí)長(zhǎng)。子女端APP 每隔2 s 會(huì)接收1次心率數(shù)值，可在心率顯示界面實(shí)時(shí)查看到老人的心率，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)收到的心率數(shù)值自動(dòng)分析安全性，并在界面中加以提示（如圖4）。

圖4 子女端APP軟件工作流程圖

3.4 主界面實(shí)現(xiàn)

主界面由老人跌倒檢測(cè)標(biāo)簽、正能量激勵(lì)標(biāo)簽、心率顯示按鈕、關(guān)閉警報(bào)按鈕、連接藍(lán)牙按鈕、斷開(kāi)連接按鈕以及震動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和間隔調(diào)整的水平滑動(dòng)條組成。

3.5 跌倒判定算法設(shè)計(jì)

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(wú)論如何跌倒，人體加速度以及人體傾斜角度均會(huì)發(fā)生不同程度的異動(dòng)。此系統(tǒng)采用基于閾值判斷的啟發(fā)式算法^[7] 來(lái)判斷人體是否跌倒。

3.5.2 啟發(fā)式算法

基于閾值判斷算法的關(guān)鍵在于擇優(yōu)的閾值選取，通過(guò)將多組跌倒數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，基于啟發(fā)式算法中的蟻群算法^[8]，系統(tǒng)可以計(jì)算出近似最優(yōu)閾值。

3.5.3 算法設(shè)計(jì)思想

在人體跌倒時(shí)，人體加速度會(huì)大幅度發(fā)生波動(dòng)，同時(shí)人體傾斜角度大幅度改變。跌倒數(shù)秒后，人體加速度恢復(fù)穩(wěn)定并且人體傾斜角度不再發(fā)生改變，此時(shí)可以判斷人體跌倒。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到人體加速度a 大幅度異動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄n1 秒內(nèi)加速度峰值a1、此時(shí)時(shí)間t1，并且檢測(cè)n2秒內(nèi)是否有新的加速度峰值a2、此時(shí)時(shí)間t2 若檢測(cè)到第2 個(gè)加速度峰值a2，系統(tǒng)會(huì)分別計(jì)算a1 和a2 的方向，然后計(jì)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(fā)生跌倒，整體算法流程如圖5 所示。

圖6 跌倒判定算法流程圖

4   系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

4.1 測(cè)試方法

本系統(tǒng)測(cè)試采用RESTful WebAPI 自動(dòng)化測(cè)試[9]，對(duì)老人的各種行為進(jìn)行模擬測(cè)試，例如：上樓、下樓、彎腰、向前摔倒、向后摔倒、側(cè)面摔倒以及飛撲等，并且測(cè)試了系統(tǒng)硬件隨著距離改變而對(duì)性能產(chǎn)生的影響。本系統(tǒng)采用黑盒測(cè)試^[10]對(duì)軟件的藍(lán)牙連接模塊以及心率顯示模塊進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試模塊全部正常運(yùn)行。

4.2 測(cè)試結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)可知，如表1 所示，系統(tǒng)響應(yīng)速度隨著手機(jī)與穿戴設(shè)備之間位移的增加而出現(xiàn)響應(yīng)速度的下降，所以此系統(tǒng)的最佳使用距離為4 m 左右。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2 分析可知，系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度隨著兩設(shè)備之間位移的增加而出現(xiàn)響應(yīng)速度下降和信號(hào)強(qiáng)度下降，所以在使用此系統(tǒng)時(shí)，兩設(shè)備應(yīng)盡量保持較近的距離，以獲得更快的響應(yīng)速度。

5   結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)多傳感器融合、通信、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)研發(fā)出一個(gè)以老人是否摔倒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為主要功能的關(guān)懷老人的智能穿戴設(shè)備（腰帶）和配套APP。當(dāng)老年人在移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)傾斜摔倒姿態(tài)時(shí)，腰帶能快速檢測(cè)到活動(dòng)狀態(tài)異常并通過(guò)WiFi 或4G 網(wǎng)絡(luò)向阿里云傳輸數(shù)據(jù)（包括位置信息、心率信息、時(shí)間信息、海拔、經(jīng)緯度等），經(jīng)過(guò)阿里云的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，子女手機(jī)將接收到包含位置信息、心率信息和時(shí)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(wú)人發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，顯著改善老年人的生活狀態(tài)，有助于社會(huì)的穩(wěn)定。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）