摘 要 ：為最大限度防止老年人因腿腳不便或患有記憶方面的疾病而摔倒、走失，文中設計了基于物聯網技術的老年人防走丟與摔倒報警系統。該系統主要采用單片機作為主控制器，由單片機處理數據并在液晶顯示屏上顯示老人所在位置的經緯度，通過振動監測模塊收集老人的信息，借助 GSM 短信模塊向問詢短信回復地理位置編碼 ；當設備佩戴人出現摔倒或身體不適等危險情況時，自動進行語音播報請求路人幫忙，同時會給終端發送求救信息，及時呼救。此設計具有實時經緯度顯示、短信查詢定位信息、摔倒檢測、呼救等功能，使用方便、成本低廉，具有廣闊的市場前景。

0 引 言

2019年6月，由中國老年學和老年醫學學會老齡傳播分會、中國疾控中心慢病中心、國家衛健委北京老年醫學研究所等七家機構聯合發布《老年人防跌倒聯合提示》，呼吁全社會從強化老年人個人意識、促進居家適老化改造等方面努力，重視跌倒對老年人健康和生命造成的嚴重威脅。世面上諸多基于GPS接收模塊的產品，如GPS智能手機、車載GPS導航等，雖然功能豐富，如帶有可視化地圖等，但成本過高，并不適合老年用戶群體。傾斜角檢測法是最常見的摔倒檢測方法之一，但因為現有傾斜角傳感器的局限性，設備必須以特定或幾種方式放置，在成本控制方面存在一定的局限性。本文研發的老年人防走丟與摔倒警報系統(以下簡稱系統)能實現GPS定位經緯度顯示和摔倒檢測，還具有通過手機短信收發位置、語音播報請求幫忙等功能 [1-2]。

1 系統整體方案設計1

1.1 系統的理念設計

通過走訪養老機構、有老人的家庭、老人獨居家庭，調查了老人對于現有智能設備的擔心和平均每天使用智能設備的時間，結果如圖1和圖2所示。

由此我們可以得出結論 ：老年人無法付出過多的學習成本，他們需要的僅僅是能夠簡單實現所需功能的“一體機”，并且他們很看重設備的花費和易損程度。由于很少有老年人能熟練使用智能手機等設備，對于老年人的“萬物互聯”，終端只能是他們的兒女和監護人 [3]。1.2 硬件與軟件的要點設計硬件 ：STM32系列單片機是32位單片機，處理速度相對較快。本次設計綜合考慮人機交互需求，采用LCD1602顯示器作為系統的人機交互設備，以實現系統的數據量顯示。摔倒檢測模塊選用配有SW-18015P 振動傳感器的模塊。 軟件:采用C語言編寫程序。分模塊編寫程序，將子程序模塊編寫完成之后進行整體程序功能的邏輯設計，使程序具有較高的移植性和擴展性 [4-5]。 設備整體功能結構如圖3所示。

1.2.1 單片機的選擇STC系列單片機:STC單片機外設簡單，只需正確搭建最小系統單片機就可以正常工作。寄存器與I/O管腳操作相對簡單。 STM32系列單片機:STM32系列單片機在消費領域的應用非常普遍。STM32系列單片機是32位單片機，處理速度相對較快。STM32系列單片機采用ARM內核架構，處理速度進一步得到優化。 樹莓派系統 ：樹莓派具有優秀的網絡功能，擁有高規格的存儲和運算能力，但這些功能對于受眾群體而言過于冗余。樹莓派的硬件構成較為復雜，價格相對傳統的單片機更昂貴。 綜合考慮，本系統采用STM32系列單片機實現相關功能，完成最小系統與外圍設備的搭建與調試 [6]。

1.2.2 顯示電路的選擇

系統選用LCD1602顯示屏實現人機界面交互。LCD1602具有背光LED，使得顯示更加清晰。LCD1602液晶顯示屏可以顯示2行英文字符或者數字，每一行可顯示16位數。LCD1602液晶顯示屏采用并行串口控制，數據顯示與刷新速度較快。LCD1602顯示數據量相對較大，顯示結果較清晰，但不適用于寒冷環境。

1.2.3 傳感器的選擇

傾斜角傳感器 ：該傳感器可進行角度測量、角速度測量和角加速度測量。因設備置放角度隨機，無法通過角度進行摔倒檢測?？紤]到人體各部分角速度有區別，加之用戶運動狀態的不同，如果要對摔倒進行精確的定義和檢測，可能會出現算法過于復雜、STM32 單片機無法承載的情況。再者，市面上常見的傾斜角傳感器通常對于放置方向有限制，會加大用戶操作的困難程度，產生額外的學習成本和時間花銷，不符合設備受眾的需求 [7]。

振動傳感器 ：選用配有SW-18015P振動傳感器的模塊。SW-18015P是一種密封彈簧式、非定向振動感應觸發開關,其相較于傾斜角模塊的優勢在于,可任意角度觸發。SW-18015P 壽命長，正常情況下可開關達20萬次。彈簧為不銹鋼線或磷銅線材質，不易損壞。在多次調查走訪養老機構后發現，老年人只有在摔倒等情況下SW-18015P才會振動。同時，還可以通過更換傳感器彈簧的材質，以有效調節傳感器的靈敏度，也可以通過電路板上的電位器調整觸發閾值。

2 系統模塊的實現

2.1 單片機及其主控

STM32單片機寄存器相對于其他單片機較多，開發模式分別是寄存器版本開發、庫函數版本開發。本研究同時使用了兩種開發方式。本系統的主控選用STM32F103C8T6。

2.2 顯示電路

LCD1602液晶顯示屏是比較常用的顯示器件，一共可以顯示兩行信息，尺寸如圖4所示。本系統選擇具有背光的LCD1602顯示數據，基于未來使用場景，可以做拆卸處理。

LCD1602 液晶電路原理如圖5所示。

GPS 模塊實物與接口電路如圖6所示。LCD1602液晶顯示屏的管腳與單片機采用網絡標號形式連接，PR1是10kΩ的可調電阻，通過調節可調電阻實現LCD1602液晶顯示屏的對比度調節。LCD1602的D7～D0引腳是并行數據接口，與單片機的P0口連接。背光燈接入 5V與GND管腳間，實現上電屏幕的背光屏幕常亮。LCD1602的E引腳連接單片機的P2.5 引腳，R/W引腳連接單片機的P2.6引腳，RS連接單片機的P2.7引腳[8-9]。

LCD1602液晶顯示屏會對數據實現“忙”檢測，當“不忙”時可以進行數據的寫入操作，通過引腳間的程序協調實現數據顯示。LCD1602會實時判斷RS引腳輸入的指令，通過判斷模塊寫入相應數據，或者寫入相應指令。當LCD1602的E引腳給出高電平時，LCD1602會將得到的信息傳遞給液晶控制系統，實現相應的寫操作。2.3 GPS 定位模塊

RTCM標準協議是美國國家海洋電子協會（MNEA）為海用電子設備制定的標準格式，現在演變為GPS導航設備統一使用的RTCM標準協議。NMEA-0183協議采用ASCII碼傳遞 GPS定位信息，幀的格式即為協議內容，通過串口以字節的形式傳送。

GPS定位信息語句的基本格式如下 ： （1）UTC時間格式為時、分、秒、毫秒 ； （2）緯度的格式為度、分 ； （3）緯度半球為北緯或南緯 ； （4）經度的格式為度、分 ； （5）經度半球為東經或西經 ； （6）GPS 狀態中，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位 ； （7）正在使用的用于定位的衛星數量為00～12 ； （8）HDOP 水平精確度因子為0.5～99.9 ； （9）海拔高度為-9999.9～9999.9m ； （10）大地水準面高度為-9999.9～9999.9m ； （11）差分時間，即從最近一次接收到差分信號開始的時間，非差分定位，此項為空 ； （12）差分參考基站標號為0000～1023，首位0也將傳送，非差分定位，此項為空。2.4 GSM 短信模塊GSM通信模塊是數據傳輸的通信核心。SIM800A可以快速、安全、可靠地實現系統方案中數據、語音傳輸及短消息服務（Short Message Service）和傳真。SIM800A是緊湊型、高可靠的無線模塊，采用了SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案與功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核,能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求,通過AT命令控制(GSM07.07，07.05 和增強AT命令)。圖 7 所示為SIM900A模塊功能。

SIM800A模塊串口管腳的工作電平為CMOS電平，單片機串口管腳的工作電平為 TTL 電平，通過單片機高電平和低電平的邏輯判斷電平可實現SIM800A的管腳連接，因此模塊的串口線可直接與單片機的串口線連接。SIM800A模塊的NETLIGHT管腳連接指示燈來指示工作狀態。

2.5 摔倒檢測模塊

摔倒檢測有兩種方案 ：傾斜角計算方式和振動計算方式。傾斜角傳感器可進行角度測量、角速度測量和角加速度測量。振動傳感器模塊的電路邏輯為檢測到超過閾值的振動時，DO腳出現短暫的高電平。同時，可以調節藍色電位器，以更改觸發閾值 [10]。

2.6 語音播報模塊

語音模塊采用插卡方式存儲語音，操作簡單。語音模塊支持MP3格式，WAV格式。模塊的SPK1與SPK2引腳可直接連接揚聲器進行語音播放，電路如圖8所示。

2.7 電源的選擇

采用USB接口實現電源供給。USB電壓為5V，且其文波與干擾較小，電壓輸出比較穩定，且輸出質量較高。

3 系統的制作與調試

3.1 硬件研制

采用洞洞板進行器件的安裝、固定、焊接，用萬用表進行檢查，觀測是否存在短路或虛焊 [11-13]。

3.2 編寫模塊化程序

程序設計相對復雜，故采用模塊化設計方法。系統程序流程如圖9所示。

3.3 測試

燒寫系統程序，對系統進行測試。

（1）測試中觀察到LCD可顯示實時信息，通過GPS定位，可準確顯示老人實際位置的經度和緯度，如圖10所示。

（2）通過手機發送短信“123456j”至手機，設備會將老人所處位置的經緯度信息發送至手機。

（3）當老人出現摔倒等危險情況時，可進行語音播報請求路人幫忙，同時會給用戶發送一條報警短信“Warning!Qing jiu yuan!”，如圖11所示。

4 結 語

為防止老年人走丟和摔倒， 本文研發了一款基于STM32F103單片機的老年人防走丟與防摔倒警報系統，該系統具有便攜性好、準確性高、成本低、使用壽命長等特點，適用于不同的生活場景 [14-26]。

（1）以STM32為主體，基本形成閉環全自動控制，可實現老年人零學習成本和低經濟成本的精確定位和摔倒檢測。

（2）通過“物聯網 +”的形式，可將信息及時傳遞給老人子女和養老服務單位，不同于傳統的“用戶為信息主體”，系統以“監護人為信息主體”，在提高信息質量的同時降低了成本。

（3）使用振動傳感器進行摔倒檢測，準確性高，且能定制閾值、可調節，優點突出。

審核編輯 ：李倩