基于STM32的老人跌倒预防与监测报警装置设计

2021-09-10 08:36吴昱宁
电子元器件与信息技术 2021年6期
关键词:障碍物倾角语音

吴昱宁

(吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130061)

0 引言

因此,急需设计一款能够实时了解老年人行走状态并对跌倒风险进行预警、跌倒后能及时发出报警信号的装置。

1 总体设计(方案)

本系统以STM32ZET6单片机为核心,采用三轴加速度传感器ADXL345检测人体倾角进行跌倒自动检测,利用HC_SR04超声传感器来检测老人与前方和下方障碍物的距离,通过SYN6288中文语音合成芯片实现对老年人行动状态的提示与跌倒后的报警,并由TJC4024T032_011R电阻式触摸屏进行障碍物距离与人体倾角的显示并实现人机交互,LED灯进行状态显示,设置光敏电阻实现灯光控制,以便在黑暗条件下自动提供照明。通过取合适的算法,对于传感器采集的数据进行数据处理以保持结果的准确性。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

其工作过程为:

通过STM32自带的滴答计时器,每隔0.1s判断一次障碍物距离和人体倾角;

若倾角小于60°且前方与下方障碍物均位于设定的阈值外,系统正常工作;

若倾角小于60°,前方或下方监测到障碍物距离小于设定阈值,系统通过语音播报障碍物位置且指示灯闪烁;

若倾角大于60°且保持3s以上,系统通过语音播报老人摔倒,指示灯全亮且进入报警模式。

1.5.4 PCR法敏感性试验 采用上述反应体系和条件,将提取的华支睾吸虫囊蚴DNA按1∶10倍比例稀释后作为模板,以双蒸水为模板做空白对照进行PCR扩增,进行2%琼脂糖凝胶电泳,利用凝胶成像系统观察扩增产物并成像。

所设参数可根据使用者具体情况进行调整。

系统还带有光控灯,通过光线强弱控制开关,实现在夜晚条件下的自动照明。

2 系统模块化设计

2.1 STM32最小系统模块

以 STM32F103ZET型单片机为核心,参考其典型接线,组成最小系统。该单片机使用Cortex-M3内核,主频可达72MHz,利用其优越性能,保证了对障碍物信号及倾角测量信号的高精度运算处理,使系统及时做出响应。

2.2 姿态倾角检测模块

采用三轴加速度传感器ADXL345,通过测量x、y、z轴加速度ax、ay、az,经过运算,即可得到三轴倾角大小,再由系统处理,从而判断人体状态。

2.3 障碍物检测模块

采用两个超声传感器HC-SR04分别实现前方与下方障碍物检测,并将测量到的距离信息实时传送到单片机模块进行处理,该型号传感器采用非接触式距离感测,测距范围大,测量精度高[4]。

由于在采集过程中无法保证传感器保持静止,采集数据会有跳变,考虑到本设计对数据传送的实时性并没有过高要求,为提升用户体验,滤除粗大误差,故对采集的数据进行均值滤波处理,即将十次采集数据yi(k)取平均值后输出,均值滤波仿真效果如下图2所示:

图2 均值滤波

可见其对随机干扰有极好的抑制作用。

2.4 语音提示模块

语音提示模块由SYN6288中文语音合成芯片来实现。当检测到前方或下方障碍物距离小于设定值时,通过语音模块发出提示信息,提示老人注意;当系统判断老人有摔倒状态时,语音模块发出报警求救信息。

2.5 显示与人机交互模块

显示与人机交互模块显示三个界面,分别对应系统启动、检测是否摔倒或有障碍物和摔倒后的报警。其中,摔倒后报警界面需人工手动复位,以保证老人已被扶起。

2.6 光敏与LED模块

利用光敏器件,通过测量外界光线的强弱,控制灯的亮灭,实现系统工作状态下的自动照明。系统工作状态提示通过三个独立连接的LED二极管来实现,其工作模式与闪烁方式一一对应[5]。

3 系统测试

3.1 超声波测距

前方距离测量:在装置前设置障碍物,从5cm至60cm每进行取值,分别进行5次测量,得出其平均值如下表1所示。

表1 前方距离测量(cm)

下方距离测量:在装置前设置障碍物,从5cm至60cm进行取值,分别进行5次测量,得出其平均值如下表2所示。

表2 下方距离测量(cm)

由实测结果可见,大部分数据位于可接受误差范围内,极个别数据偏差稍大,且在测试中跟踪所需时间偏长,但可稳定测量出结果。

观察平均值,数据位于技术指标要求范围内,可认为该模块达到设计要求。

3.2 倾角测量

在5°至80°之间进行取值,分别进行5次测量,得出其角度平均值如下表3所示。

表3 角度测量(°)

可见,角度测量值都能在允许的误差范围,能够满足要求。

3.3 状态切换测试

连接虚拟示波器,改变前方和下方障碍物距离,观察装置的工作状态,结果如下:

可见,当距离下降至警戒范围时,flag立即响应,状态切换迅速,满足要求。

图3 工作状态测试图

3.4 光敏模块

调节光线亮度,对光敏电阻电压值进行采样,测试结果如图4。由此可见,随光线增加,采集的电压变小,flag位置低,灯灭;随光线减小,采集的电压变大,flag位置高,灯亮。状态切换迅速,满足设计要求。

图4 光敏模块测试

3.5 测试装置

测试装置实物如下图5所示。

图5 测试系统实物

4 结束语

根据实物测试数据表明,该装置设计可行性强,能够稳定工作,定位准确,数据可靠性高,易于老人操作和使用,对预防老人跌到、提高老人生活质量起到很大作用,具有良好的应用前景。

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