保护老人小孩安全的隐蔽定位系统设计

郭笑尘， 李梅

(中国地质大学(北京)信息工程学院， 北京 100083)

0 引言

众所周知，随着中国老龄化的加速和二胎政策的实行，我国将迎来一个老年人和小孩比例高峰。而与此同时，一些问题也就暴露出来：1)美国阿兹海默症协会发布今年数据，显示阿兹海默症患者数量持续上升，与此同时，这样的情况还在加剧。预计2025年时，65岁以上患者将比现在增加近3成，到2050年，人数更会翻倍，总人数超过1 380万[1]。市面上很多装置都会选择手环一类用于定位，但是，手环又过于显眼，与此同时，他们又都保留着人最基本的尊严，很多老人不想让别人知道他们的特殊情况。而阿尔兹海默症患者最让亲属担心的就是他们所在的位置，这就造成一个矛盾； 2)由于小孩的分辨本领和防暴本领较弱，拐卖儿童问题屡见不鲜，虽然有了类似I-Watch等设备，不过由于过于显眼，犯罪分子能够第一时间拆除而导致设备失效3)因为女士防暴能力一般，而身上多有贵重物品，因此女士路遇抢劫也成为了某些地区的常见犯罪问题。为了预防以上情况的发生，本设计针对弱势群体的安全问题设计了一套电子嵌入式定位系统。

隐蔽性强是本设计的一大特点。本设计为解决同类的电子设备出现的高误报率、交互性差、高功耗问题，通过系统设计、工作模式设计、系统报警策略改进、电路设计和算法设计等方式得到了一套相较可观的解决方案。为了保持危险到来时信号的及时发出，采用经典的GSM来完成通讯系统。同时又加入了无线通信技术来跟现在的先进科技对接又增强设备的可利用性和嵌入式技术使功能相对完善。在本设计中，以STM32F103ZET6为核心[2]，GSM与GPS作为通信和定位装置的嵌入式平台上进行测试[3]。

1 系统设计与框架架构

1.1 系统设计

本设计以STM32F103ZET6为主控芯片。当按键被按下时，装置启动。通过GSM模块向手机发出信号，同时用户对警报信息进行判断；通过GSM实现与用户的信息交互，以达到实时通讯；通过GPS实现定位功能[4][5]；又加入了红外模块协助控制主控芯片。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

1.2 工作模式设计

设计中采用STM32F103ZET6支持的睡眠模式与平时模式[6]，按键在第一次触发时设备运行的状态称为检测模式，按键在第二次触发时设备运行的状态称为警报模式，警报在没有触发时设备运行的状态称为平时模式。以下为工作模式的切换设计：

(1) 系统在上电启动后进入监测模式，如果在设定的一段时间内再次出现按键装置启动现象，则进入警报模式；若在设定的时间内没有任何异动发生，则系统自动切换到平时模式。[7]

(2) 系统处于平时模式时，系统内核停止工作，系统可以被按键装置开启进入检测模式。

系统通过三种工作模式的切换来降低功耗。工作模式切换如图2所示。

图2 工作模式切换示意图

1.3 系统报警策略设计

本设计改进了系统报警策略以解决普遍存在的误报率高的问题。

(1) 物理干涉。设计员经过对3-8岁的不同年龄段的孩子进行力量测试，取得平均值，提高了按键强度，使之不会因为小动作触碰而导致工作模式的改变及求救发出，又解决了因为阈值过大导致警报不能及时发出的问题。

(2) 本设计通过算法设计来实现报警策略的第二次判断。使监控模块能自动对警报的一些情况进行初步分析和判断，改善了误报情况的发生。监控模块依据这一算法滤掉可能引起警报启动的正常因素，比如孩子在一起玩闹，不经意碰到，或者摔倒导致的按键启动；颠簸引起的半规矩性按键启动。模块忽略此类异动后，进入正常检测状态。

(3) 本设计采用了两种工作环境，在第一触碰按键时不会造成警报，只是变为检测模式。在之后的检测时间内，出现了第二次报警状况，才对手机发出紧急警报指令。在主控芯片的控制下通过GSM模块发送消息到受警者(接受警报信号的人，即短信接收端)手机[8]，受警者收到短信后，依据对使用者所处状况做出判断，具体判断情况如下：

如果是自然环境因素导致使用者需要穿衣或是收拢衣服而导致触发警报，同时受警者能确认使用者的安全问题，可通过短信回复命令来忽略本次警报同时进入警报模式；

如果受警者判断使用者危险，则短信回复命令使模块进入警报模式，通过GPS以及GSM模块协作[9]，每隔相同时间就发送位置信息到受警者手机[10]。

通过上述报警策略，在保证精确定位同时又能降低误报率和对人工判断的依赖性。报警策略流程图如图3所示。

图3 报警策略设计图

1.4 系统解除警报设计

为了使装置能够在非危险情况下，以及在危险解除情况下解除警报状态，本系统中设计了两种解除模块报警的方式：

(1) 通过手机短信来解除警报状态：在模块进入警报状态后保持检测用户的短信命令，通过短信发送sleep可以控制模块进入平时模式。

(2) 通过红外遥控器协助解除警报状态控制模块进入平时模式。

解除报警设计对装置进行解除报警，如图4所示。

图4 解除报警设计图

1.5 隐蔽性、可拆卸达成策略

本设计为金属材质，使装置体积做到尽量小。并在边缘不影响设备操作的部分区域对称打孔，将该装置固定在等大的粘扣上。来达到在衣服上固定、不易丢失并且隐蔽的特点。

2 系统硬件组成设计

2.1 主控芯片设计

本设计从芯片上引出了两个串口来实现对各个模块的控制，使之连成一个整体，实现预设目的。外部只保留一个按键来实现电源的开关和警报的输出、信息的发送。又使用了芯片上的两个引脚来实现对电源的通断的控制[11]。

2.2 主控芯片与GPS模块的连接与通信

此处使用ATK-NEO-6M GPS模块作为本设计中的定位模块。该模块可以通过串口进行参数的配置并设定其工作状态，来达到功能的实现。开机后对GPS初始化，初始化完成后，GPS系统与卫星形成关联，能够得到有效信息，返回芯片，经过处理后将所得信息有效部分发送至受警者手机，实现GPS与GSM的交互，操作简单也有效地达到了期望目的[12]。

2.3 主控芯片与GSM模块的连接与通信

因为某些偏远山区网络的不发达，故使用了经典的GSM模块，此处使用“全球鹰-SIM900A”GSM模块作为本设计中的GSM模块。该模块可以做到对其进行简单的编程，可以很好的实现短信的实时传输，能够很好的适应核心芯片和实现预设目的[13]。

2.4 硬件设计电路

为进一步节省功耗，设计者使用图5所示的控制电路对GSM、GPS模块进行控制。只有进入警报模式后，主控芯片才会控制接通GPS，使其开始工作。

图5 电源控制电路图

3 测试效果

3.1 误报测试

测试中以轻微的触碰和穿脱衣服模拟产生误报信号，监控模块32%未从模式中唤醒，56%从模式中唤醒，不过由于算法这一模块的存在，导致装置没有进入警报模式而是等待后续信号以完成之后的判断。如果之后没有预保留信号的输入，5分钟后装置进入平时模式。

3.2 报警测试

测试中以连续多次有效按键模拟报警信号，排除预保留信号的前提下，装置向受警者发送信息，得到受警者确认后向受警者发送位置信息。实验表明，在引入算法后，误报率高的问题有了明显的改善，因为各种模式切换和电路的再开发，实现了耗电量低的特点。实现了长期工作的目的。由于上电后装置需要时间来启动，所以装置在被触发后有一段时间的延迟。

3.3 耗能测试

经统计，市面上大多数类似装置只能用大概8小时左右，在绝对待机的情况下只能维持20小时。经过使用多种工作模式自动切换以及控制GSM与GPS电源的方式，确实做到了极大地提高续航时间。[14][15]

3.4 隐蔽性测试

设计者和同学将其戴在身上10天，没有人被问到关于本设备的问题，没有引起大家的注意，证实隐蔽性良好。

3.5 可拆卸测试

设计者将该装置固定在不同材质的衣服上。在将公扣缝在所需衣物上时，附着效果良好，可重复利用50次以上。在没有公扣的前提下，除了毛衣效果一般，其他非毛料衣物效果很差。

4 总结

为实现对弱势群体(老人，女性，小孩)的精神和身体的保护，设计了一套基于GSM和GPS的嵌入式通讯系统。使用一键式通讯技术达到了提高交互性的目的。又使用了不同的工作模式来应对不同的状态，并且设计新电路来达到对GSM与GPS电源的控制来节省功耗。本设计另外特点就是隐蔽性好和可拆卸。可拆卸的特点使之达到了多次利用的目的。而隐蔽性好使得使用者在遇到危险时，装置不会在第一时间被犯罪分子拆毁而起不到应有的效果。测试结果表明本设计能达到多次利用，消除了绝大部分的误报，提高了可交互性，且功耗极低，隐蔽性良好。因此达到了设计要求。