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跌倒管家——远程跌倒老人监护系统的设计与实现*

作者:周思亦,于洋,孟凡乐,季亚鑫,张毅霖,穆卫卫,姜浩睿(天津师范大学 计算机与信息工程学院、软件学院,天津 300387)时间:2021-10-11来源:电子产品世界收藏

*项目来源:天津师范大学大学生创新创业训练计划项目(目编号:202010065324)

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

作者简介:周思亦(1999—),男,河南濮阳市人,在读大学生。

通信作者:于洋(1987—),男,天津市人,研究生,天津师范大学计算机与信息工程学院实验师,主要研究方向:智能控制、智能计算。E-mail:452410762@qq.com。

摘要:针对老人独居状况下出现的意外频发、后无人发现、老人状态子女难以掌握等现象,本文过多传感器融合、通信、大数据、人工智能等技术研发出一个以老人是否摔倒进行实时监测为主要功能的关怀老人的智能穿戴设备(腰带)和配套APP。当老年人在移动过程中出现倾斜摔倒姿态时,腰带中的传感器能快速检测到活动状态异常并通过WiFi或4G网络向阿里云传输信息,经过阿里云的处理和转发,子女手机将接收到包含位置、心率和时间等重要救援信息的警示提醒,这将使得老年人摔倒后无人救助的概率大大降低,并显著改善老年人的生活状态,后期可推广到智能穿戴设备市场。

导师评语:本论文选题有很强的应用价值,文献材料收集详实,综合运用了所学知识解决问题,所得数据合理,结论正确,有创新见解。另外论文格式正确,书写规范,条理清晰,语言流畅。该论文的文献调研全面系统,立题指导思想明确,实验设计合理可行,能够按照实验计划进行,并达到预期效果。

0   引言

在我国,是65 岁以上老人意外伤害的首要原因[1]。然而跌倒的时间、地点不确定性以及难以预防性给老年人跌倒后的施救工作带来实际困难。因此本文所描述的系统设计将从实际问题出发,设计出一款老年人活动实时监管的跌倒管家,实时监控老人的动态,实现跌倒、快速救援、减少伤害等效用。预期将有效解决无人监管的老年人的安全问题,增强社会的和谐稳定,因受众人数巨大,推广后预期将有较大的市场空间。

1   功能简介

当老年人行走时,若偶遇突发事件致使老人摔倒,系统在摔倒的瞬间,加速度传感器、惯性传感器会及时输出数据,通过腰部单片机(MCU)分析与计算加速度的变化数据来实现摔倒的检测。在老人摔倒的过程中,老人腰部传感器的加速度数值与正常数值相比会迅速变化,即可很好地判断出老人是否摔倒。识别摔倒后系统会启动GPS ??榘训乩砦恢眯畔⒎⑺偷皆贫?,云端进行二次检测处理后发送给紧急联系人,腰带在跌倒的瞬间发出声。

2   硬件系统设计

系统的硬件部分主要包括:STM32 野火霸道V1 开发板、JQ8900 8400 MP3 语音播放???、GY-521MPU6050 三维角度???、ESP-8266 WiFi ???、HC-05 蓝牙???、SIM800C ???、有源蜂鸣器???、心率传感器。

2.1 跌倒定位预警功能设计

WiFi ??橛? 种工作模式:STA、AP 和STA/A,使得WiFi 部分兼具连接热点和发送热点两种功能[2]。在有WiFi 信号条件下,在云平台注册过的设备可以直接向云平台发送数据,包括蓝牙端所测量的所有角度数据。当数据出现异常时,便会将数据上传到云平台并进行保存,同时通过WiFi 向子女端发送警告信息,子女可以看到从云平台传输下来的角度数据、压力数据以及老人的所在位置。阿里云平台提供了关于GPS 定位的相关控制台组件,通过开发板上的GPS ??榉⑺偷南喙鼐任扯雀叨仁?,以确定其在地图上的位置,并以图形化界面直观显示,方便子女在收到预警后及时对老人进行救助,如图1 所示。

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图1 参数设置图

2.2 求救功能设计

2.2.1 按键语音求救功能设计

该系统的硬件??橹饕ǎ篔Q8900 8400 MP3 语音播放???、按键开关???、扬声器。JQ8900-16P 使用SoC 解决方案,该解决方案集成了16 位MCU 和专门用于音频解码的ADSP[3]。硬解码方法可确保系统的稳定性和声音质量。当老人在室外跌倒时,可以用手按下腰带上的按键开关???,当按键时就会触发JQ89008400 MP3 语音??椴シ畔嘤Φ那缶扔镆?,提醒周围的人给予帮助。如果老人误触按键,再按一下即可取消。

2.2.2 跌倒报警功能设计

该系统的硬件??橹饕ǎ篠TM32 野火霸道V1开发板、GY-521MPU6050 三维角度传感器、HC-05蓝牙???、SIM800C ???、有源蜂鸣器???。单片机根据GY-521MPU6050 三维角度传感器检测值判断出老人跌倒时,会立即向有源蜂鸣器发送一个高电平触发蜂鸣器报警,第一时间引起周围人的注意。SIM800C ??橛氲テ谥苯恿?,根据硬件设计手册需进行3.3 V 电平匹配,将??橛氲テ谥浣? kΩ 电阻,??镽X 脚接5.6 kΩ 电阻到地,以实现简单的电平匹配[4]。老人跌倒时,单片机还控制SIM800C??橄蚶先俗优氖只⑺屠先艘训沟亩绦?,通知子女立即前来救助老人。此外,单片机还会将老人跌倒信息通过蓝牙??榉⑺椭晾先耸只?,手机端的APP 也会相应报警。

2.3 心率检测功能设计

该系统的硬件??橹饕ǎ篠TM32F103C8T6 开发板、心率传感器(如图2)。传感器具有3 个引脚,分别是信号输出引脚S、正电源VCC 和负电源GND,它们可以通过杜邦线连接到单片机[5]。采样数据处理算法:心率是指1 min 内的心跳数?;袢⌒穆实拇撤椒ㄊ羌扑? min 后的脉搏数。但是在这种情况下,必须监测1 min 才能进行每次心率测量,以获低效的结果。另一种方法是测量2 个相邻脉冲之间的时间间隔,然后将该间隔除以1 min 以获取心率。本文使用后者可以实时高效地计算脉冲。BPM(心率):1 min 内的心跳次数。BPM=60/IBI[6]。其中IBI:相邻两次脉搏的时间间隔,单位:s。当老人需要了解自己的心率时,可以将食指轻轻放在皮带上的心率传感器上,等待一段时间后即可测出心率,心率值将通过蓝牙??榉⑺椭潦只酥械腁PP 上显示并判断是否正常。

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图2 心率传感器电路图

3   软件设计与实现

3.1 总体设计

启动本系统后,腰带主动连接WiFi 和蓝牙,并开始接收传输的信息,进行初步的判断,如果初步判断老人跌倒就将报警信息(含有老人地理位置,心率信息)发送至云端,进行进一步处理和存储(如图3)。

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图3 主系统流程图

3.2 老人端软件功能设计

首先,老人端APP 可以自主连接蓝牙设备,在与腰带建立连接后,其可接收腰带中的蓝牙??樗涞牡剐藕偶袄先诵穆适?。老人端APP 接收到跌倒信号后,自动解析跌倒信号,若判断为非法数据,手机将自动发出警报声并且向已绑定的子女端APP 发送该跌倒信号。其次,老人端APP 每隔2 s 会接收1 次心率数值并向已绑定的子女端APP 发送心率值。最后,系统还会根据收到的心率数值自动分析安全性,并在界面中加以提示。

3.3 子女端软件功能设计

子女端APP 中预先与连接老人端APP 相互绑定。子女端APP 能够接收老人端APP 传输的跌倒信号以及老人心率数值。当接收到老人摔倒的数据后,手机将自动发出警报声。子女端可以手动设置警报的震动间隔以及警报声音的播放时长。子女端APP 每隔2 s 会接收1次心率数值,可在心率显示界面实时查看到老人的心率,系统还会根据收到的心率数值自动分析安全性,并在界面中加以提示(如图4)。

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图4 子女端APP软件工作流程图

3.4 主界面实现

主界面由老人跌倒检测标签、正能量激励标签、心率显示按钮、关闭警报按钮、连接蓝牙按钮、断开连接按钮以及震动时长和间隔调整的水平滑动条组成。

3.5 跌倒判定算法设计

3.5.1 算法概述

人体跌倒行为主要分为:向前、向后、向左、向右跌倒等。无论如何跌倒,人体加速度以及人体倾斜角度均会发生不同程度的异动。此系统采用基于阈值判断的启发式算法[7] 来判断人体是否跌倒。

3.5.2 启发式算法

基于阈值判断算法的关键在于择优的阈值选取,通过将多组跌倒数据录入系统,基于启发式算法中的蚁群算法[8],系统可以计算出近似最优阈值。

3.5.3 算法设计思想

在人体跌倒时,人体加速度会大幅度发生波动,同时人体倾斜角度大幅度改变。跌倒数秒后,人体加速度恢复稳定并且人体倾斜角度不再发生改变,此时可以判断人体跌倒。当系统检测到人体加速度a 大幅度异动时,系统会记录n1 秒内加速度峰值a1、此时时间t1,并且检测n2秒内是否有新的加速度峰值a2、此时时间t2 若检测到第2 个加速度峰值a2,系统会分别计算a1 和a2 的方向,然后计算t1 ~ t2 秒的倾角大小q,若倾角大小q >阈值qv 并且|a2-a1| >阈值av,那么可以判断人体发生跌倒,整体算法流程如图5 所示。

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图6 跌倒判定算法流程图

4   系统测试及结果

4.1 测试方法

本系统测试采用RESTful WebAPI 自动化测试[9],对老人的各种行为进行模拟测试,例如:上楼、下楼、弯腰、向前摔倒、向后摔倒、侧面摔倒以及飞扑等,并且测试了系统硬件随着距离改变而对性能产生的影响。本系统采用黑盒测试[10]对软件的蓝牙连接??橐约靶穆氏允灸?榻胁馐?,经过测试??槿空T诵?。

4.2 测试结果

由实验可知,如表1 所示,系统响应速度随着手机与穿戴设备之间位移的增加而出现响应速度的下降,所以此系统的最佳使用距离为4 m 左右。

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由实验数据表2 分析可知,系统信号强度随着两设备之间位移的增加而出现响应速度下降和信号强度下降,所以在使用此系统时,两设备应尽量保持较近的距离,以获得更快的响应速度。

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5   结束语

本文通过多传感器融合、通信、大数据技术、数据库技术和人工智能深度学习技术研发出一个以老人是否摔倒进行实时监测为主要功能的关怀老人的智能穿戴设备(腰带)和配套APP。当老年人在移动过程中出现倾斜摔倒姿态时,腰带能快速检测到活动状态异常并通过WiFi 或4G 网络向阿里云传输数据(包括位置信息、心率信息、时间信息、海拔、经纬度等),经过阿里云的处理和转发,子女手机将接收到包含位置信息、心率信息和时间信息等重要救援信息的警示提醒,将有效解决老人摔倒后无人发现的问题,显著改善老年人的生活状态,有助于社会的稳定。

参考文献:

[1] 耳玉亮,段蕾蕾,叶鹏鹏,等.2014年全国伤害监测系统老年跌倒/坠落病例特征分析[J].中华流行病学杂志,2016,37(01):24-28.

[2] 韩婉婉,姜楠,张超.穿戴式颈部姿态预防矫正仪设计探讨[J].中国高新技术企业,2015(13):28-29.

[3] 周宝昌,谢智阳,梁景.基于Arduino的智能家居语音识别系统[J].数字技术与应用,2019(9):37-38,40.

[4] 韩进,马双.基于SIM800C的GPRS数据传输系统设计[J].电子产品世界,2016(11):39-42.

[5] 邱治金,蓝慧雪.基于MSP430单片机的便携式手指脉搏测试仪[J].电脑知识与技术,2020(12):236-237+253.

[6] 夏卓,王亚刚.一种基于STM32的心率检测方法设计[J].软件导刊,2020(7):81-84.

[7] 屠碧琪.基于多传感融合的老人跌倒检测算法研究[D].杭州:浙江理工大学,2017.

[8] 温文波,杜维.蚁群算法概述[J].石油化工自动化,2002(1):19-22.

[9] 康彦.基于RobotFramework的RESTful WebAPI自动化测试框架设计与研究[J].数字技术与应用,2020,38(12):178-180,183.

[10] 李宁,李战怀.基于黑盒测试的软件测试策略研究与实践[J].计算机应用研究,2009,26(03):923-926.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期)



关键词: 202109 跌倒 报警

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