基于加強版STC51芯片的跌倒報警腰帶設(shè)計

張彤　吳興旺　向陽　汪澤楠　劉雯

摘 要：該文介紹了STC15W4K32S4為主控芯片時，通過連接加速度傳感器以及角度傳感器，對人體運動狀態(tài)進行實時檢測。當(dāng)機體出現(xiàn)跌倒情況時，觸發(fā)語音播報模塊，播放呼救信號以及播放家人聯(lián)系方式，方便路人施救。為了減小測量誤差以及達到產(chǎn)品普遍性效果，裝置采用了常見的腰帶外形。測試顯示此外形設(shè)計在信息采集時，數(shù)據(jù)比較準確，符合高精度的目的。此外，在控制程序設(shè)計方面，加入了休眠程序，使得裝置在未得到觸發(fā)信號時，部分電路處于休眠狀態(tài)，整個電路的功耗也明顯下降。據(jù)所有的檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，產(chǎn)品達到了預(yù)期的低功耗與高精度的目標(biāo)，符合設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：跌倒報警腰帶 加速度檢測 陀螺儀測角 語音播報

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（b）-0116-02

隨著社會的飛速進步，生活節(jié)奏越來越快，現(xiàn)如今汽車的普及使得我們的生活更加便捷，同時隨著生活水平的提高，老齡化現(xiàn)象越來越嚴重，現(xiàn)在老年人儼然已經(jīng)成為一大群體。但是在現(xiàn)在這個車流混雜的交通環(huán)境下，老年人或行動不便人士的出行安全已經(jīng)得到了越來越多的人的關(guān)注?；诂F(xiàn)在的現(xiàn)實狀況，設(shè)想通過簡單的穿戴式設(shè)備來對使用者行動狀態(tài)進行實時的檢測，當(dāng)使用者出現(xiàn)危險時，裝置可以發(fā)出報警，引起周圍路人的注意，為及時獲得救助增加幾率。那么如果產(chǎn)品設(shè)計為手持式或非穿戴式外形，由于老年人記憶力并不是很好，而且老年人或者身有殘患人士本來行動就不方便，再額外地增加其他負重，只會起到負面作用。所以我們設(shè)計外形為卡扣式腰帶，解決了上述問題，此外，卡扣式腰帶更方便使用，因為老年人或者殘疾人的身體原因，我們市面上的一些普通腰帶對于他們來說是非常不理想的產(chǎn)品，因為他們很有可能不會使用?？凼窖鼛е恍枰话淳涂梢暂p松打開或者扎好腰帶，通過腰帶的卡口的連接和摘除，來控制整個電路的閉合與斷開，防止在使用者更換衣服時誤警報。

1 硬件設(shè)計

1.1 控制電路

控制電路是STC15W4K32S4為主要核心芯片的單片機電路構(gòu)成的，此芯片支持USB下載，且內(nèi)置8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換模塊位單片機接受電位器信息以及發(fā)射控制信號提供橋梁，電源模塊為所有用電器件供電。

1.2 模塊連接

（1）電源模塊：3.7 V通用手機鋰電池為整個系統(tǒng)供電。該類電池具有體積小、電容量可觀且可以二次使用的特點，加載電路本身的低功耗電路，使得產(chǎn)品在一次充電情況下更長時間地為使用者服務(wù)。電路設(shè)計之初就留有電量信號指示燈和電池充電口，方便使用者對產(chǎn)品進行充電。使用可更換電池，其目的是在電池使用壽命到期或者出現(xiàn)損壞時，可以自行在市場上購買同型號電池進行更換。

（2）串口通信模塊：CH340作為通信串口，與芯片的下載串口相連結(jié)，導(dǎo)入程序從而控制整個單片機的運行。

（3）加速度模塊：使用ADXL345加速度模塊作為檢測模塊，通過坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)變化以及加速度的變化，與數(shù)據(jù)庫中的安全范圍作比對，若超出安全范圍，則發(fā)送跌倒信號到主控芯片，作為第一層跌倒報警信號的檢測關(guān)口。

（4）角度檢測模塊：SW520D陀螺儀傳感器作為角度改變的接受模塊，當(dāng)該模塊觸發(fā)時，發(fā)送跌倒信號到主控芯片，作為第二層跌倒報警信號的檢測關(guān)口。

2 程序設(shè)計

ADXL345加速度模塊作為三維數(shù)據(jù)軸的數(shù)據(jù)監(jiān)測端口，在初始時以測試者站立式行走或者正?；顒訝顟B(tài)下為安全狀態(tài)，測定一個安全范圍值，作為工作狀態(tài)的正常值，即使用者未出現(xiàn)跌倒?fàn)顟B(tài)時的安全數(shù)據(jù)范圍。當(dāng)所測的數(shù)據(jù)超出我們設(shè)定的安全值，并且在一定的時間段內(nèi)并沒有恢復(fù)到安全值范圍內(nèi)時，ADXL345觸發(fā)，發(fā)送給芯片高電平信號，傳輸?shù)谝粚拥剐盘?。此時讀取SW520D陀螺儀傳感器端口的信號，若此時SW520D同時輸送高電平信號給芯片，那么芯片觸發(fā)語音播報模塊，播報呼救語音，在呼救語音播報完畢后，稍作間隔，播報家人聯(lián)系方式。當(dāng)使用者恢復(fù)站立狀態(tài)或者人為地關(guān)閉儀器時，語音播報停止，但是整套系統(tǒng)仍然處于工作狀態(tài)中，直到再次觸發(fā)警報時，播報呼救語音。

在呼救語音播報時，鑒于路人因為對于訛詐的恐懼，或者施救匆忙而無法聽清使用者家人聯(lián)系方式，我們設(shè)置了循環(huán)語句播報，當(dāng)一遍語音播報完畢，3 s以后，再次播報下一遍語音。

3 傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)分析

電源模塊為所有用電模塊供電，當(dāng)ADXL345接收到跌倒信號時，芯片從休眠狀態(tài)中啟動，若此時SW520D也接收到跌倒信號，芯片處理信號，若同時接收到兩信號時間少于5 s，認為是傳感器誤觸發(fā)；兩傳感器只在20 s以內(nèi)時能夠同時檢測到信號，證明使用者已經(jīng)自行站立，或者是未出現(xiàn)嚴重的摔倒現(xiàn)象；兩信號同時接收時間在20 s以上，確認跌倒，觸發(fā)報警裝置，報警裝置在呼救后，開始播報家人聯(lián)系方式，播報3遍，并一直循環(huán)，直到兩傳感器均接收不到信號，或者是人為地斷開警報開關(guān)，警報關(guān)閉。

4 結(jié)語

此款跌倒報警腰帶的應(yīng)用人群甚為廣泛，不僅適用于老年人，身有殘疾或因病而運動不便的人都可以使用，現(xiàn)在市場上有些許產(chǎn)品具有類似的功能，但是都是攜帶式產(chǎn)品，雖然功能會有所升級，但是在設(shè)計之初并沒有考慮到使用者的實際使用狀況，所以該產(chǎn)品所具有的先見之處就是將攜帶式產(chǎn)品改型為穿戴式，并且達到了低功耗的要求，可以更長時間地檢測使用者的安全狀況。據(jù)走訪調(diào)查數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)被采訪者均對此產(chǎn)品的設(shè)計和用途非常感興趣，同時也提出了很多不足之處，我們對部分意見進行了改進，使得產(chǎn)品更加迎合大眾的使用需求。根據(jù)大家對此款產(chǎn)品的評價和較高期待度，預(yù)測在未來市場中，該產(chǎn)品的前景還是非常廣闊的。

參考文獻

[1] 孫泊，劉宇，莊濤，等.基于腰部加速度計的行走能耗建模實驗研究[J].體育科學(xué)，2013（4）：36-41.

[2] 劉陽.基于加速度計的身體活動測量研究前沿[J].北京體育大學(xué)學(xué)報，2016（8）：66-73.

[3] 劉海東，郭亮，薛重飛，等.基于單片機的微小角度測量系統(tǒng)的研制[J].電腦知識與技術(shù)，2013（5X）：3406-3409.