緒論1.1研究背景最近十年里，就世界各國的人口現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)來看，世界上很多國家都將進入或已進入老齡化社會，老齡化社會帶來了很多問題，這種不健康的人口分比大大抑制了社會的發(fā)展[1]。同時，科技發(fā)展越來越快，使人們的生活越來越方便快捷，但好像科技的發(fā)展將老年人這個群體劃分在外，我們可以在新聞上看到很多老年人因為不會使用電子產(chǎn)品而在現(xiàn)今社會上行走舉步維艱，科技的發(fā)展并沒有給他們帶來便捷，反而成為他們融入社會的阻礙，這是我們需要反思的問題。這也是整個社會發(fā)展在這個方面的疏漏，本產(chǎn)品的出現(xiàn)將為彌補這個空缺提供一點點的力量，不再讓科技在老年人的生活里缺失。隨著老齡化的不斷發(fā)展，每年老年人因為摔倒而致殘致死的人數(shù)不斷增加。世界衛(wèi)生組織報告顯示，全球有十幾萬老年人因為摔倒而導致不可挽回的損失。針對這種事件，越來越多的國家對開始對老年人的身體健康狀況重視起來，大多數(shù)摔倒都會對老年人的身體造成難以估量的損失。本文就是針對現(xiàn)實生活中的場景所設計的防跌倒報警器。1.2國內外研究現(xiàn)狀跌倒檢測技術是一種檢測人體摔倒的技術，它會在摔倒對人體造成一定損傷且摔倒者需要幫助的情況下進行報警，這種技術的應用在人體摔倒后，可以使摔倒者得到及時的救治，尤其是對老年人的身體健康有一定的保護作用?，F(xiàn)今國內外關于老年人跌倒報警的方法種類很多（如圖1.1為一款老人防跌倒報警器），現(xiàn)在這種技術基本上可以分為基于計算機視覺分析和基于穿著傳感器式。且由這些技術所形成的系統(tǒng)也有所不同，這些系統(tǒng)根據(jù)在使用中獲得的信息來源和形式不同主要可以分為基于地板振動的跌倒檢測系統(tǒng)和利用視頻圖像信息檢測的跌倒報警系統(tǒng)。1）基于計算機視覺分析基于計算機視覺分析就是通過安裝視頻監(jiān)控或紅外線探頭采集人體姿態(tài)信息并利用計算機視覺分析系統(tǒng)進行分析人體是否發(fā)生摔倒。但該方法對空間要求較高，不具有普遍性和靈活性。2）基于穿著傳感器方式穿著傳感器方式將可監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳感器穿在身上，當人體在運動時，穿著在身上的傳感器通過加速度傳感器收集有關人體加速度的信息，然后通過單片機分析有關數(shù)據(jù)來判定是否發(fā)生摔倒，如果摔倒，則傳感器控制有關器件進行報警[2]。穿著加速度傳感器靈活性高，便捷，適合用于日常生活中。該傳感器通過將傳感器所采樣的值與閾值進行比較的方法來判斷是否摔倒。3）基于地板振動的跌倒檢測系統(tǒng)人體在跌倒時，身體撞到地面會形成一個沖擊力，從而發(fā)生震動，可以通過對地面震動的效果進行檢測，將檢測結果進行判定來判斷是否發(fā)生摔倒，但這種方法局限性太大，只能在安裝此系統(tǒng)的室內工作，應用性相對不強[3]。4）利用視頻圖像信息檢測的摔倒系統(tǒng)該系統(tǒng)主要通過抓取老年人活動姿態(tài)的視頻圖像，再將這些信息進行分析，若果經(jīng)分析后系統(tǒng)判定老人摔倒，則進行自動報警。它的缺點與基于計算機視覺分析方法相似[4]。圖1.1一款跌倒報警器1.3論文研究的意義在社會層面上，從前幾年老年人跌倒了該不該扶，怎樣扶引發(fā)了全社會的思考，到現(xiàn)在科技行業(yè)在老年人群體里的缺失引發(fā)的社會熱議，無一不證明了大家都在關心老年人這個群體如何能更好的融入現(xiàn)在這個科技飛速發(fā)展的社會，社會的發(fā)展不是某一部分或某些群體的發(fā)展，而是整個社會里所有群體的發(fā)展。而老年人防摔倒傳感器的出現(xiàn)為這些問題的解決帶來了思路，要切實將科技與老年人的生活聯(lián)系起來，為老年人的生活帶來看得見的便捷。在技術層面上，由于現(xiàn)今社會科技的迅猛發(fā)展，與此相關的嵌入式技術也在不斷地被開發(fā)出來，而且嵌入式技術也在不斷的發(fā)展并完善，它讓人們的生活越來越安全與越來越便捷。而嵌入式技術在老年人的生活的融入這一具體應用無疑是具有遠瞻性的，其具有良好的發(fā)展前景。

本文采用傳感器實時監(jiān)測日常生活中的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)以科學的采樣頻率進行采樣，制定有效算法，將已進行計算的采樣數(shù)據(jù)與閾值進行比較判斷是否跌倒，最后將報警短信通過短信的形式發(fā)送到預先設定的手機用戶。

但本文中所示各種方法都有其各自的缺點與局限性?；谟嬎銠C視覺分析方法對空間要求高，不利于檢測?；诘孛嬲饎拥臋z測系統(tǒng)對空間的要求太高，且靈活性低。利用視頻圖像信息檢測的摔倒系統(tǒng)也存在安裝成本大，地理位置局限大的缺陷。1.4論文研究的內容與組織結構1.4.1論文的內容本文內容所呈現(xiàn)的研究主要分為三個階段：1）現(xiàn)有技術的研究分析現(xiàn)有的幾種跌倒檢測技術的優(yōu)缺點。選擇一種實用的用來作為主要研究方向。2）數(shù)據(jù)采集與制定算法確定數(shù)據(jù)的采集、保存方法，使用閾值判定方法來檢測跌倒。3）功能實現(xiàn)設計系統(tǒng)軟硬件，包括跌倒檢測模塊，報警模塊，溫度過高報警模塊并將信息通過GSM模塊發(fā)送到預存手機。1.4.2論文的結構第1章，概述該研究在國內外背景及其現(xiàn)狀，確定論文章節(jié)結構。第2章，分析本文表明的跌倒檢測技術，簡要表明人體數(shù)據(jù)采集方法。第3章，老年人跌倒檢測報警裝置硬件設計，設計系統(tǒng)的硬件電路。第4章，老年人跌倒檢測報警裝置軟件設計，設計系統(tǒng)的軟件電路。第5章，老人跌倒檢測報警裝置的軟硬件調試，確保裝置的正常使用。第6章，總結本文工作，提出下一步的展望。1.5本章小結這一章主要介紹了本文的研究背景，在國內外本研究的現(xiàn)狀以及對本文整體結構和內容的安排，這是完成整個文章和整個設計的預備工作，只有在了解這些的情況下，才能夠開始本次研究。

2跌倒檢測2.1跌倒檢測技術的理論基礎跌倒大都是因為壞境的因素，具有一定的突發(fā)性，一般發(fā)生時容易造成不可挽回的損失，而老年人因為身體機能的退化，反應不夠靈敏，不能及時平衡自己的身體，導致身體失去平衡摔倒。跌倒基本都是在突然之間，身體失去平衡，在短短的幾秒內，身體發(fā)生傾倒，而身體傾倒時會在極短的時間里使身體的加速度產(chǎn)生極大的變化，而這些變化在一定的計算下會得出人體在此段時間里產(chǎn)生的傾角值，這個值區(qū)別于別的運動時身體的傾角值，因此對人體加速度值的分析為跌倒檢測提供理論依據(jù)[4]。2.2跌倒檢測跌倒是人體由一個相對地面豎立的姿態(tài)到相對地面平行的姿態(tài)的轉變。在這個過程中，本文中所采用的跌倒檢測技術通過提取人體活動時從豎立到橫躺的過程中加速度值的變化值，設定了關于x軸、y軸的閥值，再比較實時監(jiān)測的加速度值是否超過設定好的閥值來判斷人體跌倒與否[5]。人體跌倒的過程中，在人體處于豎直狀態(tài)時垂直于地面的軸加速度值為重力加速度，而到了橫躺狀態(tài)時，在豎直狀態(tài)垂直于地面的軸變?yōu)榱似叫杏诘孛娴妮S，平行于地面的軸變?yōu)榱素Q直與地面的軸。這就出現(xiàn)了閾值，兩個軸加速度值的互換，即對其方位值的判斷[6]。2.3人體體態(tài)實時數(shù)據(jù)的采集只有當傳感器及時采集到人體的身形數(shù)據(jù)，才能對數(shù)據(jù)進行分析，這是完成本研究的第一步。經(jīng)過研究和測試，當數(shù)據(jù)的采樣頻率為50HZ時，可以基本精準的通過采集到的數(shù)據(jù)獲悉人體的運動狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集工具可分為單片機STC89C52，加速度傳感器ADXL345、GSM模塊和溫度傳感器。當人體穿著防跌倒報警器時，加速度傳感器以50HZ的頻率采集人體體態(tài)數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)線將人體體態(tài)數(shù)據(jù)傳送給單片機STC89C52，如果單片機STC89C52判斷該數(shù)據(jù)超過閾值，單片機STC89C52將報警信號傳送給GSM模塊和蜂鳴器，蜂鳴器報警且GSM模塊給預設好的手機號發(fā)送短信。當傳感器溫度過高時，溫度傳感器將過高溫度值傳送給單片機，單片機通過比較該溫度超過38度，則蜂鳴器報警，且GSM模塊給預設好的手機號發(fā)送短信。如圖2.1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架圖。微處理器微處理器GSM模塊電源模塊加速度傳感器溫度傳感器 圖2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架圖2.4本章小結這一章主要介紹了老人防跌倒報警器的核心部分，即對老人跌倒時體態(tài)數(shù)據(jù)的檢測，包括了該檢測方法的理論基礎，對于該檢測的數(shù)據(jù)收集與分析。本章內容是整篇文章的核心理論。3硬件設計3.1跌倒檢測報警裝置硬件設計框架從硬件設計上將系統(tǒng)分為STC89C52單片機，ADXL345加速度傳感器，GSM模塊，電源，溫度傳感器。該裝置通過加速度傳感器采集好數(shù)據(jù)，然后將將數(shù)據(jù)傳送給單片機進行數(shù)據(jù)處理，如果數(shù)據(jù)超過閾值，則單片機發(fā)送信號給GSM模塊和蜂鳴器，蜂鳴器報警，GSM模塊發(fā)送求救短信。若該裝置溫度過高，單片機發(fā)送信號給蜂鳴器和GSM模塊，此時蜂鳴器報警，GSM模塊發(fā)送“Haveacold!!!”給預設好的手機號，若出現(xiàn)誤報警或當摔倒對人體的傷害不大的情況時，按下裝置上的按鍵，停止報警[7]。下面圖3.1為系統(tǒng)硬件框架圖，圖3.2為系統(tǒng)硬件設計圖。按鍵按鍵溫度傳感器蜂鳴器STC89C52單片機ADXL345GSM模塊電源圖3.1系統(tǒng)硬件框架圖圖3.2系統(tǒng)硬件設計圖3.2STC89C52單片機STC89C52單片機是一種帶有8K字節(jié)的閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-Flash

Programable

and

Erasable

Read

Only

Memory

）的低電壓，高性能的微處理器，俗稱單片機[8]，具有極其強大的功能。STC89C52主要特點如下：（1）指令代碼兼容性高，所需工作電壓低；（2）可供工作的頻率高；（3）用戶應用程序空間為8K字節(jié)；（4）片上集成512字節(jié)RAM；（5）具有EEPROM功能；（6）共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2；（7）可通過I/O口直接下載用戶程序，簡單方便[9]。STC89C52單片機內部硬件結構圖框圖[10]如圖3.3，最小系統(tǒng)原理圖如圖3.4，管腳圖如圖3.5。圖3.3STC89C52單片機內部硬件結構圖圖3.4STC89C52最小系統(tǒng)原理圖圖3.5STC89C52管腳圖3.3加速度傳感器模塊本設計選擇傾角傳感器ADXL345模塊用于采集人體姿態(tài)數(shù)據(jù)。該傳感器具有體積小，功耗低，分辨率高達3.9mg/LSB，使用方便，應用廣的特點[11]。其功能框圖如圖3.6，引腳配置圖如圖3.7[13]。在與單片機連接輸送數(shù)據(jù)時，只需將ADXL345中的SPI或I2C數(shù)字接口與單片機連接，就可以輸出16位二進制數(shù)據(jù)[12] 圖3.6功能ADXL345框圖圖3.7ADXL345引腳配置圖3.8ADXL345的SPI連接圖和I23.4GSM模塊的接口電路設計GSM模塊兼具獨立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理的功能模塊。GSM模塊可以發(fā)送SMS短信，進行語音通話，傳輸GPRS數(shù)據(jù)等功能。單片機STC89C52通過TXD和RXD接口與GSM模塊連接并輸送信息（連接圖見圖3.9）[14]。單片機STC89C52使用AT命令控制GSM模塊進行通信，例如:發(fā)送短信，撥打電話，GPRS撥號上網(wǎng)等。主要特性[15]有：1）兩頻900/1800MHz2）滿足GSM2/2+標準3）AT命令控制4）SIM應用工具包5）供應電壓范圍：3.4~4.4V6）低功耗7）操作溫度范圍：-40℃~85℃8）CSD達14.4kbps9）140USSD非透傳圖3.9引腳連接3.5溫度傳感器的接口電路設計DS18B20溫度傳感器具有體積小，精準度高，方便好用，價格便宜，耐磨耐碰等優(yōu)點，非常適合于本設計。實物圖見圖3.10，原理圖見圖3.11，其DS18B20主要特性：（1）單線接口實現(xiàn)單片機STC89C52與DS18B20的雙向通訊。（2）測溫范圍廣，可高達－55℃～+125℃，測溫誤差不超過1℃。（3）在使用中不需要任何外圍元件。圖3.10DS18B20傳感器實物圖（裸露）圖3.11DS18B20溫度傳感器原理圖3.6本章總結本章主要介紹了本研究所需要的硬件及其原理圖、連接圖。包括STC89C52的主要特性、引腳功能、結構圖和原理圖，加速度傳感器的特點、功能框圖、引腳配置圖和連接圖，GSM模塊的特點和連接圖，溫度傳感器的特點和原理圖。這些都讓我們深刻的認識和了解到我們所需要的元器件，為接下來硬件的組裝打下良好的基礎。4軟件設計4.1Keil程序開發(fā)環(huán)境 本設計中單片機開發(fā)環(huán)境是Keil，Keil是一款C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可兼容51系列的單片機。它具有豐富的庫函數(shù)和功能強大的開發(fā)工具，該系統(tǒng)所選用的C語言具有比其他語言更明顯的優(yōu)勢，例如功能多，可讀性高，易于維護等。Keil提供的開發(fā)方案能完成編輯、編譯、連接、調試這一整套開發(fā)過程。Keil開發(fā)界面如圖4.1。圖4.1Keil開發(fā)界面圖4.2老年人跌倒檢測報警裝置軟件設計概述4.2.1跌倒檢測軟件設計概述通過開發(fā)軟件將源代碼寫入STC89C51單片機中運行，對加速度傳感器，GSM模塊，單片機進行初始化后，獲取加速度傳感器的加速度值，傳送給單片機，通過對加速度值的數(shù)據(jù)處理判斷是否發(fā)生中斷，如果發(fā)生中斷，則報警并通過GSM模塊發(fā)送短信“Helpme!!!”，若沒有發(fā)生中斷，則加速度傳感器繼續(xù)獲取關于人體的加速度值。流程框圖如圖4.2。圖4.2系統(tǒng)流程框圖4.2.2溫度檢測軟件設計概述通過開發(fā)軟件將源代碼寫入STC89C51單片機中運行，對溫度傳感器，GSM模塊，單片機進行初始化后，獲取溫度傳感器的溫度值，傳送給單片機，通過對溫度值的數(shù)據(jù)處理判斷溫度是否過高，如果溫度過高，則報警并通過GSM模塊發(fā)送短信“Haveacold!!!”，若溫度正常，則溫度傳感器繼續(xù)獲取關于元器件的溫度值。溫度報警流程框圖如圖4.3。圖4.3溫度報警系統(tǒng)流程框圖4.3本章總結本章主要介紹了軟件開發(fā)界面的特點和軟件設計的概括說明，為本設計的完成做了一個很好的收尾工作。5系統(tǒng)調試5.1硬件系統(tǒng)調試檢查焊接好的電路板上是否出現(xiàn)斷路或虛焊等情況。用萬用表檢查線路的通短是否與設計相符，再檢查是否有短路現(xiàn)象。焊接好接通電源，觀察芯片是否發(fā)燙，若發(fā)燙立即關掉電源，再次進行電路檢查；若正常，在測試芯片電源端電壓是否達到設計要求。設計所需元器件組裝圖如圖5.1。圖5.1硬件元器件組裝圖硬件調試必須是對每一部分元器件了解清楚，明白其工作特性，以便檢查和后續(xù)調試過程中對出現(xiàn)的問題進行解決。在本次設計中，我根據(jù)模塊一個個進行調試測試大大提高調試效率。為了保證電路連接的可靠性，在連接完成后用萬用表測試到無問題。使用萬用表檢查連線時，先檢測各個模塊的信號線是否全部連通且與單片機對應I/O引腳接通;再檢測各模塊的電源、地線是否與單片機連通等。經(jīng)過檢查，老人防跌倒無線報警器的連線正確，各模塊與單片機I/0引腳正常接通。5.2軟件系統(tǒng)調試硬件系統(tǒng)制作完成后，就要進行軟件程序編寫。對于一整個軟件系統(tǒng)的編程，也需要分部、分塊進行編寫調試。待各個模塊編寫好后，為了更加容易找出問題所在，本設計的軟件調試采用先調試各個模塊的功能，在語法和邏輯上能實現(xiàn)了其相對應的功能后，再對整個設計進行整體的調試。（1）跌倒檢測軟件調試在對跌倒檢測軟件測試中出現(xiàn)無法收到加速度值的情況，進過多次的排查后發(fā)現(xiàn)是程序中設置的SCL，SDA引腳對應的單片機的IO口與電路板上的焊接不一致造成的。在程序中改正錯誤后，編譯通過重新測試后，顯示正常穩(wěn)定。（2）溫度傳感器檢測軟件調試在對溫度檢測軟件測試中，在溫度超過38℃時，蜂鳴器報警，GSM模塊發(fā)送報警短信“Haveacold!!!”，功能正常。（3）GSM報警模塊調試在對GSM報警模塊調試過程中，手機無法接受到報警短信，經(jīng)過多次排查后發(fā)現(xiàn)程序中設置的加速度閾值過大，且將GSM模塊中TXD,RXD引腳對應的單片機的IO口與電路板上的焊接不一致造成的。在程序中改正錯誤后，編譯通過重新測試后，顯示正常穩(wěn)定。GSM模塊調試如圖5.2。圖5.2GSM模塊調試6總結與展望6.1論文總結本文主要是在對人體體態(tài)加速度數(shù)據(jù)大量采集下進行分析，并通過跌倒檢測算法的設計完成，研究分析了STC89C52單片機，GSM模塊，DXL345加速度傳感器等模塊，以下為本文主要工作：1）設計數(shù)據(jù)采集方法，為本文完成奠定良好基礎。2）分析當下世界現(xiàn)有的跌倒檢測技術。3）研究應用到的電子元器件的工作原理。4）設計實現(xiàn)算法的軟件。6.2未來工作展望雖然已經(jīng)完成本設計的初步開發(fā)，但由于經(jīng)驗不足等問題，結果并不盡善盡美，在一些地方還可以進行改進。1）該裝置在身體靈活的部位像手腕、腳腕等地方佩戴會使其準確度受影響。2）對于一些復雜的情況并不能進行準確判斷。3）其可供使用的功能相對單一。在人口日趨老齡化的環(huán)境下，對于可應用在老年人的嵌入式醫(yī)療裝置有很大的發(fā)展空間，很多類似的且具有較多功能的產(chǎn)品還在不斷的測試開發(fā)中，這些都將帶給老年人更多的便利。參考文獻[1] 老年人跌倒干預技術指南[EB/OL],/view/64325.[2] Winters,J.M.Emergingrehabilitativetelehealthcareanywhe