基于单片机的老人跌倒报警装置

来志勇 吴柯汉 蒋志震 刘海波 张敏敏

摘要：当今社会进入老龄化，老人外出或独居时，由于身体机能下降，容易跌倒，而由跌倒造成的损伤，使得住院率和死亡率大大提高，带来了严重的社会经济负担。因此，在不影响老年人正常活动的前提下，通过科学的手段监测老年人的活动，在检测到跌倒后迅速报警求助，可以有效地减少老年人跌倒带来的健康伤害和医疗开支。在分析比较国内外跌倒检测相关技术研究后，本文提出了一种基于ADXL345倾角传感器的跌倒检测与报警系统。ADXL345倾角传感器实时采集老人在日常活动中产生的倾角数据，然后将数据送到单片机STC89C52进行处理，并判断老年人的运动状态。当系统检测到跌倒发生时，发出报警声音提醒老人和周围的人，并且能够将报警短信和位置短信发送到提前设定好的亲人手机上。

关键词：老人防跌倒;报警器;倾角传感器;GPS;GSM

引言

现如今中国逐渐步入老龄化社会，独居老人、孤寡老人等等，子女、亲人不能24小时在身边陪伴，他们的生活、身体的变化不易被子女察觉，无法得到随时随地的关心和照顾。据数据显示，中国约有三分之一的65岁及以上老年人每年跌倒1次或多次，而且比例随年龄增长而增加，80岁以上老年人跌倒的年龄发生率更是高达50%！老人跌倒后会产生一系列身体伤害及并发症，严重的会导致髋部骨折，髋部骨折的老人后期寿命会减少，且生活质量也显著下降。因此，预防跌倒是应对“老龄化”的有效保障。为了及时关注老年人的日常情况，本文设计了一种基于单片机的老人跌倒报警装置，对老年人姿态变化进行监测，当老年人发生跌倒或者遭遇其它意外危险时，能够让家人第一时间知道老年人的位置信息，并得到及时的救治从而保证老年人的生命安全。从而减少家属不在身边时跌倒对于老年人造成的二次危害，减少经济损失，提高老年人的生活质量。实际上，这款装置还可以为行动不便的人或残疾人朋友的出行提供便利。

1国内外研究现状

采用适当的传感器，获取合理的数据，通过恰当的算法来对采集的数据进行处理，判断跌倒的发生，并远程传输老人跌倒的求救信息，这就是老人跌倒报警装置的主要研究内容。目前，国内、外对跌到检测系统的研究很多，主要方法可分为以下几种：

（1）基于视频图像检测

基于视频图像的检测方法采用摄像头获取人体活动图像，通过图像处理算法对获取的人体活动图像进行图像处理，判断人体是否发生跌倒。

图1基于视频图像检测

基于视频图像检测的优点是人体不需要携带任何设备，检测过程对人体没有干扰，缺点是视频图像的分析受光线、环境等的影响较大，且只能用于室内检测，检测范围有限，并且随着现代人对个人隐私越来越重视，将日常行为置于视频监控的环境中将会使人反感。

（2）基于穿戴式设备检测

基于穿戴式设备的检测方法将微型传感器设备制成可穿戴式设备穿戴在人身上，传感器实时采集人体活动的数据，分析判断人体是否发生跌倒。

图2基于穿戴式设备检测

基于穿戴式设备检测的优点是成本低，检测范围大，不受周围环境的影响，缺点是需要穿戴在人体身上，需要定期充电或更换电池。

（3）基于周围环境信号检测

基于周围环境信号的检测方法利用布置在周围环境中的声频、红外和压力等传感器采集相关数据，根据数据分析结果判断人体是否发生跌倒。

基于周围环境信号检测的优点是人体不需要携带任何设备，整个检测过程对人体没有干扰，并且不侵犯个人的隐私，缺点是这类方法通常受环境的影响较大，无法得到很高的检测精度，而且只能用于室内检测，检测范围有限，一般只能作为辅助检测方法。

2总体方案设计

本设计主要以单片机控制、跌倒检测与报警通信3个主要模块组成。以实现对于日常生活中老年人跌倒事件的监测以及报警的功能。先由检测模块检测到装置发生变化，经过模数转换发送给单片机模块进行分析，单片机模块经过判断是否发生跌倒状况，则报警并发送短信至家属。总体框架如图3所示。

图3总体框架图

3硬件设计

（1）控制部分采用了STC89C52单片机的最小系统作为核心控制器。该单片机是一款高性能、低功耗的8位微型控制器。具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛应用。它的运算速度虽然没有STM32单片机和430单片机快，但是仅有的模块功能完全满足老人跌倒报警装置的需要。而且它易于拓展，很容易构成各种规模的应用系统。满足本设计的要求。

（2）报警部分的报警电路采用了声光报警系统。该系统组成部分为5V有源蜂鸣器模块与LED灯，其中5V有源蜂鸣器模块中采用了三极管9012来驱动，当连接单片机的引脚为被单片机置为低电平时，蜂呜器就会呜叫报警，反之则不呜叫;当蜂鸣器呜叫时，LED灯与蜂鸣器协同工作，发出光亮。当系统检测到老人跌倒后，报警电路会接受到信号，发出警报，提醒周围人群救助。

（3）摔倒检测部分采用了倾斜角传感器。该传感器是一款检测倾斜角度的智能传感器，具有分辨率高、范围广的特点。输出信号为数字信号，可以通过SPI和12C数字接 口访问。该设备常用于移动设备，可以检测1。以上的倾斜角变化。当老人在行走过程中发现剧烈波动，并产生足够大的倾斜角时，系统就会对其做出数据判断，并将数据发送至单片机。

（4）GPS定位部分采用NEO-6M GPS模块。具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面。该模块在狭小的环境中也可以更好定位人的位置，提高救援的能力性、准确性。该设备因经常作用在手机定位、车辆定位中，所以在本设计中具有良好的定位功能。满足本设计的要求。

（5）通讯信息部分采用了GSM模块。该模块是一款可以插入手机卡并具有通过控制芯片程序向对应的手机号码发送信息的功能，是一款具有放射功能的獨立操作系统。其外观精巧，性价比高，性能稳定。当系统发出警报并确定老人摔倒 时，该模块电路会向提前设定的号码上发送报警信息。

图4各个模块电路与主控芯片电路引脚连接图

（6）按键电路采用轻触按键。轻触按键是按键产品下属的一款分类产品，它其实相当于是一种电子开关，只要轻轻的按下按键就可以是开关接通，松开时是开关就断开连接，实现原理主要是通过轻触按键内部的金属弹片受力弹动来实现接通和断开的。在本系统中，按键作为系统的输入，起到了人机交互的枢纽作用。按键的单片机控制引脚默认为高电平，当按键按下后，单片机的相关引脚则变成低电平。进而实现对系统的手动输入。

各个模块电路与主控芯片电路引脚连接如图4所示。

4软件设计

给装置上电后，初始化定时器以及各个串口，检测倾斜角度是否超过设定的阈值，若没有超过，则判定为正常运动不做任何处理;若超过阈值，蜂鸣器报警。再检测解除误报警的按钮是否按下，若为按下状态则装置认为是误报警，解除报警，若没有按下，等待15S后（延迟15秒是为了确定老人已经跌倒且15秒都没有自行爬起来，设备认为老人跌倒伤的过重，需要报警提醒周围的人帮忙），触发通信模块，短信上报给的家属。程序流程如图5所示。

图5程序流程图

void gpsDealfun（void）

{

unsigned char num=0;

unsigned long Mid_Du;   //中间变量 暂存经纬度的整数部分 即度

unsigned long Mid_Fen;  //中间变量 暂存经纬度的小数部分 即分  gps原始数据是度分秒格式

unsigned long Mid_Vale; ////中間变量 暂存经纬度 并将其扩大了10000000倍

if（sysmode_GPS==TRUE）//检测gps是否有效数据

{

sysmode_GPS=FALSE;//清除有效位

Mid_Du=（gps_infor_weijing[0]-0x30）*10000000+（gps_infor_we ijing[1]-0x30）*1000000;//处理纬度暂存整数部分扩大10000000

Mid_Fen=（gps_infor_weijing[2]-0x30）*10000000+（gps_infor _weijing[3]-0x30）*1000000+

（gps_infor_weijing[4]-0x30）*100000+（gps_infor_weijing [5]- 0x30）*10000+

（gps_infor_weijing[6]-0x30）*1000+（gps_infor_weijing[7]-0x30）*100;

//处理纬度 暂存小数部分扩大10000000

Mid_Fen=Mid_Fen/60;//分秒换算为小数位

Mid_Vale=Mid_Du+Mid_Fen;//最终纬度 格式为000.00000000 非度分秒格式

Lin0_No[0]='N';

Lin0_No[1]='：';

Lin0_No[2]='0';

Lin0_No[3]=Mid_Vale/10000000+0x30;

//将处理后的纬度填入字符串 并打印显示

Lin0_No[4]=（Mid_Vale/1000000）%10+0x30;

Lin0_No[5]='.';

Lin0_No[6]=（Mid_Vale/100000）%10+0x30;

Lin0_No[7]=（Mid_Vale/10000）%10+0x30;

Lin0_No[8]=（Mid_Vale/1000）%10+0x30;

Lin0_No[9]=（Mid_Vale/100）%10+0x30;

Lin0_No[10]=（Mid_Vale/10）%10+0x30;

Lin0_No[11]=Mid_Vale%10+0x30;

Mid_Du=（gps_infor_weijing[8]-0x30）*100000000+（gps_infor_we ijing[9]-0x30）*10000000+（gps_infor_weijing[10]-0x 30）*1000000;//处理经度 暂存整数部分扩大10000000

Mid_Fen=（gps_infor_weijing[11]-0x30）*10000000+（gps_infor_w eijing[12]-0x30）*1000000+

（gps_infor_weijing[13]-0x30）*100000+（gps_infor_weijing[14]-0 x30）*10000+

（gps_infor_weijing[15]-0x30）*1000+（gps_infor_weijing[16] -0x3 0）*100;//处理经度 暂存小数部分扩大10000000

Mid_Fen=Mid_Fen/60;

//分秒换算为小数位

Mid_Vale=Mid_Du+Mid_Fen;

//最终经度 格式为000.00000000 非度分秒格式

Lin1_Ea[0]='E';

Lin1_Ea[1]='：';

Lin1_Ea[2]=Mid_Vale/100000000+0x30;

//将处理后的经度填入字符串 并打印显示

Lin1_Ea[3]=（Mid_Vale/10000000）%10+0x30;

Lin1_Ea[4]=（Mid_Vale/1000000）%10+0x30;

Lin1_Ea[5]='.';

Lin1_Ea[6]=（Mid_Vale/100000）%10+0x30;

Lin1_Ea[7]=（Mid_Vale/10000）%10+0x30;

Lin1_Ea[8]=（Mid_Vale/1000）%10+0x30;

Lin1_Ea[9]=（Mid_Vale/100）%10+0x30;

Lin1_Ea[10]=（Mid_Vale/10）%10+0x30;

Lin1_Ea[11]=Mid_Vale%10+0x30;

}

else

{

Lin1_Ea[0]='G';//无gps信号情况下 打印正在连接

Lin1_Ea[1]='P';

Lin1_Ea[2]='S';

Lin1_Ea[3]=' ';/*将处理后的纬度填入字符串 并打印显示*/

Lin1_Ea[4]='L';

Lin1_Ea[5]='I';

Lin1_Ea[6]='N';

Lin1_Ea[7]='K';

Lin1_Ea[8]='I';

Lin1_Ea[9]='N';

Lin1_Ea[10]='G';

Lin1_Ea[11]='.';Lin1_Ea[12]='.';Lin1_Ea[13]='.';

for（i=0;i<14;i++）

{

Lin0_No[i]=Lin1_Ea[i];

}

}

//DelayMs（10）;

//SendStr（Lin0_No，12）;

//DelayMs（10）;

//SendStr（Lin1_Ea，12）;

}

5結束语

基于单片机的老人跌倒报警装置在老人摔倒后的后续防护中具有良好的作用。当老年人发生跌倒或者遭遇其它意外危险时，该装置可以在短时间内使老人的具体信息发送至其监护人或家人的手机号码上，使老人能够得到及时的救助。本装置有耗能低、易携带、传输距离远、精准的定位能力等特点，为老年人的安全防护提供一种智能手段。而且各个部分的模块电路成本低廉，具有极高的社会使用价值。

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（作者单位：山东英才学院机械与电气工程学院）