独居老人心理安全检测系统

郑健

铜陵学院 244000

摘要

随着我国进入了老龄化社会，老年人的健康和安全问题日益引起人们的关注。老年人由于生理结构老化，机体功能下降，意外摔倒的几率很大。目前，我国空巢化家庭比重持续上升，老人身边无子女照料。通过对老年人的健康特点的分析，发现意外摔倒对独居老人的生命安全构成了很大的威胁。独居老人因意外摔倒而造成的后果，如不及时抢救，将有生命危险。所以，对独居老人发生意外摔倒的及时救治显得尤为重要。通过对国内外现有跌倒检测系统的对比与分析，对跌倒检测技术进行了深入的研究，综合考虑了系统的实用性、造价等因素，设计了一套以STC89C52单片机为核心，以ADXL345三轴加速度传感器、PulseSensor脉搏心率传感器和HY火焰传感器为重点，同时辅以SIM800C等智能检测元件相结合的可穿戴式摔倒识别监测系统，能够及时发现老年人因事故而摔倒的情况，同时将老人摔倒的情况和求助信息发送给自己的监护人，让老人在跌倒、火灾、突发心脏病等事故中受到的伤害最小化。本课题所设计的一套独居老人居家安全的监测系统，能够很好地对老年人日常活动中发生的意外摔倒事故进行检测，对于保证老年人的生命健康，具有重要的理论和实践意义。

关键词

独居心理；安全检测；系统设计

正文

基金项目：铜陵学院2022年大学生创新创业比赛

项目名称：独居老人心理安全检测系统

1.系统总体构成

系统以单片机和GSM模块为核心，结合加速度传感器、心率传感器和火焰传感器等电子元件，形成一个可靠的居家安全监测系统。系统总体框图如图2-1所示。

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图2-1 系统总体构成框图

数据分析：由单片机最小系统构成。单片机在本次设计中相当于一台微型计算机，其内部也有和计算机功能相似的模块，例如CPU，内存，并行总线，存储器等。用来做电器控制工作，并且通过修改程序实现不同的功能。同时单片机可以通过编写的程序达到高智能，高效率，高可靠性的效果。因此选用单片机作为该安全监测系统的各个模块的核心控制部件。

数据采集：由加速度传感器，心率传感器，火焰传感器组成。数据采集包括通过加速度传感器获得人体加速度信号，心率传感器获得心率信号，火焰传感器获得火焰信号，之后将这三部分信号采集后传送入单片机最小系统进行数据处理，将采集到的低频模拟信号经过放大，整形，滤波后转化成可识别的数字信号量，最后通过GSM发送出去。

数据传输：由GSM模块组成。当数据采集完并经过分析处理之后并不能实现当老人发生意外时的报警功能，因此必须具备无线通信或短信业务功能才能实现意外报警求助，所以离不开GSM模块功能作支持。通常，电路板上的GSM模块将数据以固定频率发出，另一部手机端GSM对数据进行收取。

2.硬件电路设计

2.1元器件的选型与分析

本节重点研究硬件的选择和电路的设计。该系统以单片机核心，对人体的身体数据进行采集与处理，包含监测老人是否意外跌倒，周围是否有火，心率是否异常。因此，接入SIM800C通信模块来告知子女自己遇到危险。

本次设计选用了微处理器作为主控制器，为确保系统的正常工作，选用性价比高、可靠性高、功耗低的控制器，以避免设备出现故障，从而影响到整个系统的正常工作。在整个系统中，单片机就像是人体的心脏，它是整个系统的中心。本设计提出了两种选择方案如表3-1所示。

2.2 加速度传感器

加速度传感器可以帮助老人了解它身处的环境。是在爬山，还是在走下坡，摔倒了没有，可以测量牵引力产生的加速度。根据这点，本文提出了两种选择方案，如表3-2所示。

表2-2 加速度传感器不同型号优缺点对比表

ADXL345

MPU6050

优点：

①分辨率高。最高13位分辨率。

②量程可变。具有±2g，±4g，±8g，±16g可变的测量范围。

③灵敏度高。最高达3.9mg/LSB，能测量不到1.0°的倾斜角度变化。

④功耗低。40~145uA的超低功耗，待机模式只有0.1uA^[17]。

⑤尺寸小。整个IC尺寸只有3mm×5mm×1mm，LGA封装。

⑥ADXL支持标准的I2C或SPI数字接口，自带32级FIFO存储，并且内部有多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。

缺点：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。

优点：

①运动处理数据库支持校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。

②自带1024字节FIFO，有助于降低系统功耗。

③可程式控制，且程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器^[18]。

缺点：

①初始化有可能会卡死。

②偏航角不正常，即使静止不动也会跳动。俯仰角接近90°或者等于90°时，偏航角的角度会发生很大的偏差。

③抗干扰能力弱，不能和电机靠太近，否则磁场容易被干扰。

④六轴中航向轴的数据几乎是不能用的，因为价格便宜，漂移太过严重，需要外接三轴磁力补偿。

⑤MPU6050的三轴陀螺仪正常工作电流为3.6mA，待机电流低至5μA；三轴加速度计正常工作电流为500μA，低功耗模式下工作电流最低为10μA。

3.系统软件设计

3.1 编程语言的选择

在单片机的编程中，首先要考虑到的是，它的程序空间和数据空间都很有限，因此要尽可能地简化程序，以节省内存。其次，单片机程序设计的一个重要目标就是对单片机端口和内部寄存器进行操作与配置，这就要求更准确的时间控制。最后，在单片机的运算过程中，尽可能地采用加法、减法、移位等运算，由于运算耗时较长，特别是除法运算，需要花费大量的时间，这对单片机的运算能力本来就有一定的局限性。

因此，基于以上三点因素，单片机编程的语言可以选择C，也可以选择汇编。用汇编的优点主要在于程序可以被编程者优化，而不是由编译器优化，是绝对可控的，程序的安全性和执行速度受编程者水平限制，不过总的执行速度较C语言快，代码占程序存储器的容量较C语言小。所以，汇编程序更适合程序存储器和数据存储器较小的老式单片机。汇编语言的缺点也显而易见，它是机器语言的汇编助记符，指令难记，指令功能弱，不便于学习，而C语言代码执行效率高，也比较精简，更便于移植，所以选择C语言做开发。

3.2 Keil程序开发环境

（1）Keil是一款老牌集成开发环境，而且是一款通用的IDE，兼容市面上大部分单片机。优点如下：

①兼容市面上大部分MCU，换MCU可以不换IDE，不用再费时间熟悉开发环境。

②老牌IDE，教程比较多，容易找到各种问题的解决办法。

③基于Keil的软件工程很多，直接拿来就能用。

缺点：开发的界面不现代化；目录结构不支持多级；编辑功能有待改善。

（2）IAR同样是一款老牌集成开发环境，也是一款通用的IDE，兼容市面上大部分单片机。优点和Keil相似。

缺点：

①界面相比Keil更不现代化。

②收费软件，仅能试用14天或限定代码量大小。

（3）STM32CubeIDE是ST公司针对STM32推出的一款集成开发环境。推出时间不长，存在一些bug。相对Keil更耗电脑CPU资源。因此不作为首选开发环境。

综合考虑其实用性，选择熟悉的Keil作为本次设计的开发环境。

参考文献

[1] 能明凯，周广明，赵伟．老年人健康检测系统的设计[J]．现代计算机，2020，（16）32-34．

[2] 曾博，刘光磊，付梦菲．智能手环应用于老年群体的探究[J]．科技创新与应用，2017（06）：74．

[3] Sander M，Oxlund B，Jespersen A．The challenges of human population ageing[J]．Age and ageing，2014：189．

STC89C52实物模块如图3-1所示。

图片18.png

图3-1 STC89C52实物图

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