基于单片机的浴室跌倒报警系统

作者/李芊宇、孟繁盛、周文龙,内蒙古大学电子信息工程学院自动化系

指导教师：郇矢宇

基于单片机的浴室跌倒报警系统

作者/李芊宇、孟繁盛、周文龙,内蒙古大学电子信息工程学院自动化系

指导教师：郇矢宇

对于老年人而言，身体的平衡能力较差，属于跌倒致伤的高发人群。而浴室的湿滑地面更容易引发跌倒事件，对老年人健康和安全造成严重的威胁。针对浴室跌倒事件，我们设计一种浴室报警系统，通过人体红外热释电传感器和压力传感器检测人体状态，如若跌倒则及时通知监护人了解情况并采取相应措施，保证老年人的健康和安全。

单片机；浴室；跌倒报警；通信

随着社会老龄化进程的加快，跌倒成为威胁老人安全的一大要素，老人意外跌倒监测和远程紧急救助方面还存在很大的不足。浴室跌倒报警系统通过人体红外热释电传感器和压力传感器的结合使用来检测老人是否跌倒，若有跌倒事件发生通过短信、电话和蜂鸣器报警，及时通知他人采取相应措施尽可能的减轻事故危害。

1. 项目背景分析

目前人体跌倒检测方法很多，从信号采集的角度可将人体跌倒检测分为3种：基于视觉的跌倒检测，基于声学的跌倒检测和基于穿戴式传感器的跌倒检测。基于视觉的跌倒检测是通过摄像头来获得人体运动的画面，通过图像处理算法提取跌倒的图像特征判断是否发生跌倒，准确性高，但这种方法容易暴露个人隐私，且成本较高；基于声学的跌倒检测，通过检测人跌倒时产生的音频信号作为跌倒的判据，由于浴室内水声及其他声音的干扰导致误判率高；基于穿戴式传感器的跌倒检测是通过微型传感器和控制器做成的微型设备来进行跌倒检测，通过算法处理进行检测报警，这种产品在室外易于携带但是在浴室内是不方便携带的，并且易受到环境因素干扰，检测精度低。

2. 项目内容

上述三种人体跌倒检测方法均不适用于浴室，结合当下人体检测产品的特点，设计一种简单、合理、实用的浴室跌倒报警系统。在浴室这个特殊空间内进行跌倒监测，若有意外发生及时报警，尽可能降低对老人伤害。具体内容如下：

2.1 人体状态分析

人体处于站立状态与跌倒状态的对比：首先是人体运动状态的改变，进行淋浴时，人体是不断运动的，跌倒后人体运动变得细微缓慢。其次是双脚下的压力的改变，人在正常行走时双脚不会同时离地，因此双脚下各点的压力情况与跌倒时有很大差异。当人突然跌倒时，双脚压力会发生突变，甚至同时失去压力。因此可以同时监测人体运动状态和双脚压力的变化，双重检测标准提高判断人体跌倒准确性。

2.2 人体红外感应开关

在浴室门口放置一个基于热释电传感器设计的人体红外感应开关。若检测到有人进入浴室，启动系统，再次检测到人体时，关闭系统，其余时间进行休眠，降低系统功耗。

2.3 跌倒检测

通过上面人体状态分析，浴室跌倒报警系统的双重跌倒检测需要双重检测模块，即运动监测上使用人体红外热释电传感器，压力监测上使用压力传感器，多重监测尽可能的提高检测精度。

1)人体红外热释电传感器

人体红外热释电传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器对温度的变化，进而导致电信号的产生，这种变化对于人体主要表现为对人体的移动或运动敏感，对静止或移动缓慢的人体不敏感。洗澡时，人体是不断运动的，当传感器检测不到信号时即检测不到人体或人体保持不动时，会发出一个低电平到控制部分，控制部分对接收的信号进行处理，若判定有人发生跌倒，控制部分启动报警部分进行报警。通过matlab分析得知当三个以上传感器同时报警时，准确报警概率接近100%，误报率几乎为0。因此，当三个或四个传感器同时触发警报时单片机发出报警。

2）压力传感器

压力传感器将弹性元件产生的形变转换成标准电信号，输出到单片机。在拖鞋内前脚掌和脚后跟位置分别安装压力传感器，正常行走与站立时脚底各点压力与跌倒时有很大差异。当人体跌倒时，双脚下压力突变，压力传感器输出电信号到控制部分，若判定发生跌倒事件则启动报警部分报警。此模块不仅用于淋浴时的跌倒检测，还可以应用于其他场合，特别针对刚走出热释电传感器的检测范围发生的跌倒，给老人进一步的保障。

采用人体运动状态监测的人体红外热释电传感器和压力突变时监测的压力传感器相结合，提高了人体跌倒检测的精度，减小误判率。

2.4 控制部分

本文采用STC89C51RC单片机作为系统的控制部分。STC89C51RC单片机有四个八位可编程并行I/O口，可连接多个外部设备，具有抗干扰能力强，低功耗，低辐射等特点，为以后批量生产和产品的更新升级提供便利。

当单片机接收到传感器传来的信号后，控制部分的单片机对采集的信号进行处理，通过算法判定跌倒。若判定发生跌倒，控制报警部分启动报警。同时为了防止误报引起的不便，系统还可通过手动按钮暂时打开或关闭报警功能。

2.5 报警部分

报警部分提供两种报警方式：一是蜂鸣器室内语音报警，二是GSM模块实现的短信、电话报警。

1）蜂鸣器报警

蜂鸣器是一种一体化的电子讯响器，采用直流电压供电，通过程序调整出报警音乐以达到示警的目的。当判定发生跌倒事件的时候，单片机经过一段延时后控制蜂鸣器发声，迅速告警。

2）TC35模块短信、电话报警

使用TC35模块进行短信、电话报警，TC35是Siemeils公司推出的新一代无线通信GSM模块。GSM模块支持两种短信模式，第一种是TEXT模式；第二种是PDU模式。PDU模式可以采用unicode编码发送英文、汉字，但合成PDU码比较复杂。而TEXT模式只能发送英文，但无须编码。实际使用中我们使用TEXT模式，利用51单片机的控制输出，然后在内部软件编程下进行数值变换处理，经过三次握手协议，通过AT+CMGS指令发送英文短信。

TC35模块在安装音频座后可实现电话报警。通过ATD拨号命令用来设置通话、数据或传真呼叫，如果没有拨号音，NO DIALTONE；如果线路忙，BUSY；如果连接无法被建立，NO CARRIER；如果连接成功，OK+拨通的手机号码，即可拨打电话。当判定跌倒事件发生时，控制器控制GSM模块发送报警短信到预设手机号上，并拨打报警电话及时通知相关人员采取相应的措施。

图1 总体设计方案

2.6 预防措施

没有消息就是最好的消息，在事故发生前做好预防准备永远好过意外发生，防患于未然，在浴室内提前布置好防滑垫、扶手、座椅等，并在装修时提前考虑好布局，尽量不选择装修有尖锐棱角的浴室设备，或在已装修过的浴室里对尖锐棱角设备包裹海面之类的柔软材料，尽量将老人在浴室内发生意外的伤害降到最低。

3. 创新点

本文主要针对浴室内发生跌倒事件的报警。虽然建材、各种辅助器材在浴室辅助防跌倒上有了很大的发展，但是由于浴室地点特殊，洗完澡人的防范心理下降，地面积水使老人更加容易滑倒。浴室地方狭窄没有物品进行缓冲，导致跌倒时对人体的伤害极大。随着社会发展，愈来愈多的老人由于种种原因不和儿女居住在一起，或白天儿女上班外出时家中只有老人，使得老人在家发生事故不能及时采取正确有效的措施，造成了严重的伤害，甚至危及生命。

这篇文章对于以上特殊事件提供了很好的处理方法。老人在家的生命安全有了一定的保障，一旦独居老人在浴室跌倒而没办法求助，不再只是无助等待别人的发现，无论儿女在外工作或出差也可以在老人出现事故的第一时间得到消息，尽快采取相应的措施来降低对生命的威胁。

4. 总结

作为子女，有义务为他们提供更加安全的生活环境，我们应尽可能的关心父母的健康和安全。若有意外跌倒发生能及时得到消息，尽快采取相应措施，减轻跌倒对老人的伤害。本文设计的浴室跌倒报警系统，结构简单，成本低廉，检测精度高，报警实时性强，可靠性好，器件功耗很小，符合市场需求，有很大的发展空间，对实际应用有重要意义。

＊ [1]石欣，熊庆宇，雷璐宁，基于压力传感器的跌倒检测系统研究[J].仪器仪表学报，2010,(03)：715—720.

＊ [2]谢靖，基于头部运动轨迹和3D视觉的跌倒检测系统[D].南京大学，2011.

＊ [3]潘方，RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012,(13)：69—71.

＊ [4]王刚，基于多传感器的可穿戴跌倒检测系统的设计与实现[D].导师：何坚，北京工业大学，2015.