基于Arduino单片机的便携式老年人跌倒报警系统设计

肖二宁，张兴明，李康士，董永吉

（国家数字交换系统工程技术研究中心 河南 郑州　450000）

基于Arduino单片机的便携式老年人跌倒报警系统设计

肖二宁，张兴明，李康士，董永吉

（国家数字交换系统工程技术研究中心 河南 郑州450000）

为了实现对老年人跌倒报警的需求，提出了一种基于Arduino单片机的跌倒报警系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统由便携式设备与监护APP组成，便携式设备主要包括完成数据处理的8位AVR单片机Arduino NANO、实现通信功能及短信报警的SIM900A芯片、实现跌倒检测功能的ADXL345芯片与实现定位功能的WAVESHARE GPS NEO 6M芯片。监护APP部分采用基于Android 4.4与高德地图包开发，支持国内任意地点显示，支持路径规划及语音播报。实际应用与测试结果表明，该系统具有操作简便、跌倒报警准确、定位精度高等特点，具有很强的实用价值和良好的市场前景。

Arduino；便携式设备；跌倒报警；跟踪定位

人口老龄化是一种全球性的发展趋势，中国也不例外。根据2010年第六次全国人口普查数据公报显示［1］，全国60岁及以上的人口为1.7765亿，占全国总人口数量的13.26%，与上一次人口普查数据比较，提高了2.93个百分点。全国65岁及以上的人口为1.1883亿，占全国总人口数量的8.87%，与上一次人口普查数据比较，提高了1.91个百分点，到2050年，我国老年人数量将会达到人口总数的三分之一［2-3］。经研究资料显示［4-5］：在我国，65岁以上的老年人每年至少跌倒1次的占50%，而80岁以上跌倒比例高达50%—80%；而在英国，40%-60%的失智症患者每年至少跌倒一次，此发生率是非失智老人的2倍［6-7］。

由此可见，老年人跌倒发生的比例是相当高的，为了实现对老年人跌倒危情的报警，在兼顾功能与成本的前提下，提出并设计了一种基于Arduino单片机的便携式老年人跌倒报警系统（以下简称“报警系统”）设计方案。该系统准确实现了跌倒报警功能，并可以通过手机APP查询被监护人跌倒位置，使监护人可以快速的到达跌倒现场，及时解除危险。

1　系统需求分析

针对为满足老年人跌倒报警的需求，首先，要完成跌倒检测功能，该功能需要模块持续检测，并可以实现人体不同姿态感知，然后，完成跌倒报警功能，该功能需要模块实现与手机之间的通信功能，最后，完成跌倒位置定位及到达路线规划功能，该功能需要模块可以准确定位跌倒位置，而且可以通过APP查询路线规划。

2　总体设计

系统总体设计如图1所示，报警系统由加速度传感器模块、GPS定位模块、数据处理模块、电源和通信模块构成。其中加速度传感器完成加速度数据采集；GPS定位模块负责采集被监护人的所在位置的经纬度坐标信息；处理器模块根据加速度传感器的数据，分析判断对象的身体姿态并控制报警及报警信息的发送；电源模块负责为整个系统提供电力供给；通信模块负责将报警信息和GPS定位数据通过一定的协议发送给手持智能终端。报警系统总体结构图如图1所示。

图1　系统总体结构图

3　系统硬件设计

系统硬件主要由控制器模块、加速度模块、GPS定位模块、SIM/GPRS通信模块、电源模块等构成，为了减小跌倒误报率，增加了手动取消报警按钮。具体模块结构图如图2所示。该设备的处理器核心是ATmega328［8］，同时具有14路数字I/O口，其中6路可作为PWM输出，6路模拟输入，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮，在AREF处设有两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口，IOREF和一个预留管脚，采用5 V或3.3V供电，大小尺寸为：宽70 mm×高54 mm，满足便携性要求。加速度模块采用ADI公司的ADXL345三轴加速度传感器，分辨率高（13位），测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用，其高分辨率（3.9mg/ LSB），能够测量不到1.0°的倾斜角度变化［9］。GPRS通信模块采用SIM900A［10］，GPS定位模块采用WAVESHARE GPS NEO 6M芯片，该芯片功耗低、性能高，能够满足本系统要求［11］。

图2　系统硬件模块图

4　报警系统软件设计

根据跌倒报警与定位跟踪的设计需求，系统要同时具备准确跌倒检测、地理位置定位、报警信息发送和无线通信功能，由此该模块主要由跌倒判断子模块、定位地理位置坐标子模块、基于GSM的报警信息发送子模块与基于GPRS的定位坐标发送子模块组成，报警系统软件流程图如图3所示。

图3　系统软件总体流程图

4.1基于四级判断的跌倒检测算法

本文给出的跌倒检测算法［12］，完全基于ADXL345内部的运动状态检测功能和中断功能，甚至不需要对加速度的具体数值进行实时读取和复杂的计算操作，可以使算法的复杂度降至最低。具体跌倒检测算法流程图如图4所示。

图4　跌倒检测算法流程图

4.2定位地址与行驶路线地图显示子模块

该模块基于socket TCP通信机制［13］，并在阿里高德地图开发包基础上进行定位与地图显示［14］，该模块由监护人主动触发，然后与室外跌倒报警模块上的GPRS模块建立TCP连接，获取当前被监护人经纬度坐标值，显示定位地点，并可以查询到达被监护人地点最短路径，使得监护人以最快速度抵达现场。该模块流程如图5所示。

5　系统测试

经过针对不同身高体重的人员分别进行十次测试，全部检测到跌倒，但是有1次没有发出跌倒警报，经过分析可能是因为测试人员在跌倒之后身体佩戴部位仍有活动，导致系统只进行了跌倒判断而没有发出跌倒警报。本系统设有防误报按钮，当系统出现假阳性或者跌倒对佩戴者没有安全威胁时佩戴者可以手动取消警报，完全满足佩戴者使用要求。

图5　跌倒地址地图与行驶路线显示模块流程图

监护APP主要完成两大功能：获取跌倒地址与到达跌倒地址路线规划，将便携式设备带在被监护人身上，当收到报警短信后，打开监护APP，我们可以主动获取被监护人地址，获取到地址后，我们可以打开路线规划页面，快速到达跌倒位置，该APP提供两种到达被监护人地址的方式，包括驾车与步行，并支持语音导航，路线规划功能界面如图6所示。

图6　获取与到达跌倒地址路线规划界面

GPS定位精度测试点分别选择二七纪念塔、火车东站这2个地点，定位坐标（Lat，Lon）比较经纬度测量值如表 1所示，经过精度误差分析，经 GPS精度修正算法修正［15］后的定位坐标误差均在10 m以内，与商用GPS定位仪精度相当。

表1　定位坐标修正前后对比

6　结　论

该老年人跌倒报警系统采用成本低廉的Arduino单片机和各类传感器为硬件平台，配套应用软件采用Android开发，应用简便，测试结果表明，该报警系统可以准确的实现跌倒报警、位置定位，并可以提示监护人，监护人可以最快速度到达跌倒地点，从而大大降低了老年人跌倒所带来的危害。

［1］张建，华琦.中国老龄化的特征发展趋势与对策［J］.中国心血管杂志，2010，15（1）：79-80.

［2］黄兴亚.老年人养老现状及对策问题的研究［J］.科技经济市场.2014，11（1）：90-91.

［3］周白瑜，于普林.老年人跌倒和心血管疾病［J］.中华老年医学杂志，2010，25（3）：224-227.

［4］M.N.Nyan，F.E.H Tay，A.W.Y Tan，et al.Distinguishing fall activities from normal activities by angular rate characteristics and high-speed camera characterization［J］.Medical Engineering&Physics，2012，28：842-849.

［5］Chang JT，Morton SC，Rubenstein LZ，et al.Interventions for the prevention of falls in older adults：systematic review and meta-analysis of randomized clinical trials［J］.BMJ，2014，328：680-683.

［6］Gillespie LD，Gillespie WJ，Robertson MC，et al.Interventions for preventing falls in elderly people［J］.Cochrane Database Syst Rev，2013，4：30-33.

［7］李冬.老年人跌倒检测原型系统设计与实现 ［D］.重庆：重庆大学，2012.

［8］屈宝鹏.基于ATMEGA328的视频监控智能车的设计与实现［J］.现代电子设计，2015，38（19）：160.

［9］袁西.三轴数字加速度计ADXL345及其在捷联惯导中的应用［J］.电子设计工程，2010，18（3）：80.

［10］翟顺.基于SIM900A的物联网短信报警系统［J］.现代电子技术.2012，35（5）：70-72.

［11］李楠.基于实时路况信息的GPS定位导航系统开发［D］.厦门：厦门大学，2011.

［12］黄战华.基于GPRS和Socket机制实现多媒体消息传输的研究［J］.通信技术，2007，11（40）：10-11.

［13］任克强.基于Android的手机导航系统设计与实验［J］.实验技术与管理，2014，31（5）：19-21.

［14］陈赛.基于单片机的多功能手持GPS定位仪的设计［J］.测绘工程，2012，12（4）：98-99.

［15］严莉.基于分数间隔均衡技术的GPS定位修正算法［J］.计算机仿真，2014，31（11）：150-151.

Design of a portable falling alarm system of old people based on Arduino MCU

XIAO Er-ning，ZHANG Xing-ming，LI Kang-shi，DONG Yong-ji
（National Digital Switching System Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450000，China）

In order to satisfy the fall deterction of old people，a design scheme of fall monitoring system based on Arduino MCU is proposed.and the hardware and software design of the system is completed.The system consists of a portable device and a APP monitor，The portable device mainly includes 8-bits Arduino AVR MCU，the SIM900A chip which realizes the communication function and SMS alarm，the ADXL345 chip which realizes fall detection function，and the GPS NEO 6M WAVESHARE chip which realizes the positioning function.APP monitor is based on Android 4.4 and AutoNavi map package development，support domestic arbitrary locations show easy tracking view.Practical application and test results show that，the system has the advantages of simple operation，accurate positioning，fall alarm precision，meet the design requirements.

arduino；portable device；falling alarm；tracking and positioning

TN02

A

1674－6236（2016）09-0150-03

2015-11-17稿件编号：201511164

国家自然科学基金创新群体项目（61521003）

肖二宁（1990—），男，河南开封人，硕士。研究方向：嵌入式技术。