基于STM32的高龄老人智能看护终端设计

扈书亮　韩淼　王会成

摘  要：结合单片机技术和移动通信技术设计基于跌倒检测的老人看护系统，通过陀螺仪实时采集老人身体姿态，经单片机分析并判断是否发生跌倒。若符合跌倒条件，实现蜂鸣器报警现场求救，以及发送老人定位信息短信进行救援呼叫的双重功能，并设定跌倒后求助短信发送延迟时间，可用手动按键方式关闭报警解除误判。旨在降低跌倒给老年人带来的二次伤害，减少经济损失，提高老年人的晚年生活品质。

关键词：STM32 MCU；陀螺仪姿态采集；智能看护

中图分类号：TP27  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）12-0170-04

Design of Intelligent Care Terminal for the Elderly Based on STM32

HU Shuliang1， HAN Miao2， WANG Huicheng3

（1.Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity， Tianjin  300350， China; 2.Tianjin Tianshi College， Tianjin  301700， China；3.Tianjin Huohua Technology Co.， Ltd.， Tianjin  300350， China）

Abstract： The elderly care system based on fall detection is designed by combining the Single-Chip Microcomputer technology and mobile communication technology. The body posture of the elderly is collected in real time through the gyroscope， analyze and determine whether a fall has occurred through a Single-Chip Microcomputer. If the conditions for falling are met， the dual functions of buzzer alarm for on-site rescue and sending elderly positioning information SMS for rescue call can be achieved. The delay time for sending help SMS after falling can be set， and the alarm can be manually turned off to resolve misjudgment. The aim is to reduce secondary injuries caused by falls to the elderly， reduce economic losses， and improve the quality of life of the elderly in their later years.

Keywords： STM32 MCU; gyro posture acquisition; intelligent care

0  引  言

當前社会老龄化现象日趋严重，人口老龄化比例逐步上升，老人的身体健康和人身安全等问题成为亟待解决的问题，对老年人群体威胁最大的是因跌倒引发的意外伤害，跌倒既可能直接造成身体受伤或致残，也可能使老年人因畏惧跌倒而不敢进行正常活动，这都给老年人的生活造成了不良影响，可以说，跌倒已经成为威胁老年人健康和安全的最大隐患。

据卫生部门调查显示，65岁以上的高龄人口中，约22%男性与43%女性均有过跌倒经历。老年人因跌倒引发的意外伤害占意外伤害比例的78%，65岁及以上的老人发生跌倒的比例占20%～28%，其中，造成伤害的比例达高达70%，10%左右为严重伤害程度。跌倒后未及时救治会对老人造成一定程度的创伤，严重的甚至威胁到生命安全，给老人及其亲人带来沉重的负担，老年人的身体健康和日常生活也将会面临严峻的挑战。因此，当今社会应对老年人的日常行动安全给予更多的关注。

综上，老人看护系统的研究势在必行，为此，利用单片机技术和GSM通信技术，提出了基于跌倒检测的老人看护系统设计，以便于跌倒后的及时发现与救治，降低因跌倒给老年人带来的意外伤害，同时进一步减轻跌倒对于老年人的二次伤害。老人看护系统为老年人提供了既安全又可靠的生活环境，能够检测日常活动中出现的异常状态和不可预见的突发情况，并能及时联系相关看护人员，让子女可以随时随地查看老人当前的状态，既加强亲情的交流，又一定程度上辅助解决社会养老问题。

1  高龄老人智能看护终端的硬件设计

1.1  总体设计方案

方案主要完成基于跌倒检测的老人看护系统的设计，从系统设计实用性、操作便利性、低成本性等各方面考虑，设计功能尽可能多的满足当前市场需求，并具有一定前瞻性，从而保证系统的使用寿命，以便于进一步提高系统的稳定性。综合以上系统设计考虑因素，基于SMT32的老人看护系统主要由STM32模块、陀螺仪模块、GPS定位模块、GSM通信模块、报警模块、按键模块及电源模块构成，系统工作流程分析如下：

1）通过陀螺仪模块实时采集老人身体姿态，系统检测身体倾斜加速度，判定老人跌倒，蜂鸣器报警。

2）系统判定跌倒状态，LED灯闪烁，蜂鸣器同时鸣叫提示路人求救的同时，通过GPS定位模块确定老人跌倒时的具体经纬度信息，利用GSM通信模块以短信方式将GPS定位信息发送给软件设定的紧急联系人。

3）系统可设定跌倒后求助短信发送的延迟时间，为防止误判产生，可手动通过按键关闭报警，解除误判。系统总体设计框图如图1所示。

1.2  主控芯片选择

系统设计开发过程中，目前常用控制芯片主要包括DSP、FPGA（CPLD）、PLC（可编程序控制器）、单片机控制器等，每种芯片特性及适用场合不同：

1）DSP芯片：DSP芯片拥有8位到128位极其复杂的操作系统，以及目前8核并行系统。DSP芯片处理速度快，存储空间大，可靠性高，成为高科技领域的主流芯片，但是成本较高、控制系统复杂。

2）FPGA（CPLD）芯片：FPGA是一种用VHDL语言开发和编译的现场可编程门阵列。其最突出的特点是运行速度快、电路简易，但一般需要与DSP或者单片机相匹配，以有效的缩短时间，提高精确度。

3）单片机控制器芯片：单片机芯片可采用C语言等编程语言完成程序的编写，通过在线仿真掌握系统内部结构，可以有效的节省硬件成本。

综合系统实现功能及开发成本两方面考虑，本次设计选用单片机控制器作为系统主控模块，本设计通过以下两个方案进行主控模块的论证选择。

方案一：使用ATMEL公司的51单片机作为主控制器。51单片机为功耗低、性能高的8位单片机，但其内部存储空间容量较小、且IO接口数量有限，故放弃此方案。

方案二：使用STM32主控芯片作为系统主控核心单元。芯片内部自带AD转换功能，使系统电路设计更加简单，处理速度进一步提升，因此，该控制芯片得到了极其广泛的应用。此外，研究人员使用该芯片还可以减少开发周期，而且系统本身融合性能较好，研发成本较低。与51系列和CPLD系列控制器相比，STM32具有高性价比、抗外界干扰能力强等特点。

从控制芯片的稳定性及抗干扰性能两方面考虑，本设计选用STM32F103C8T6系列作为系统核心控制芯片，如图2所示。由中断处理器、定时计数器、数据处理器、数据寄存器4部分共同组成。此款控制芯片可以提供丰富的接口，在后续的外围电路的搭建和扩展上拥有更多的便利。

1.3  身体姿态数据采集模块

对老人是否存在跌倒的情况进行判断，主要依靠其身体姿态数据的获取和分析完成，而ADXL345加速度传感器恰好可实现老人身体姿态数据的检测，因此，设计选用ADXL345加速度传感器完成老人身体姿态的实时检测。

ADXL345传感器为功耗相对较低的一款3轴加速度测量仪，分辨率高达13位，并且具有高精度、输出稳定等特点。其可将测量获取的加速度数值转换为相应电信号，经后续信号调理电路，模数转换电路输出补码形式的16位二进制数据，送单片机处理分析输出相应变量数值。ADXL345传感器在运动或者需静态倾斜角度检测的设备中应用较多，可检测±1.0°范围内的角度变化值。

该模块工作电压在4.5～6 V之间，系统电源电压是5 V，没有额外电源转换电路，ADXL345传感器工作原理为：两边极板固定好后，两极板之间的介质在传感器作用下，由于重力作用，介质会向无速度变化的那一边靠近，会使介质到两边极板的距离发生改变，因此使得之间的电容值发生改变。X、Y和Z三轴的加速度值可以由以下公式得到：

上式分别代表X、Y和Z三轴对应加速度值，0g表示偏置或者移位速度指标，Z+1g表示系统偏置参数，不同型号传感器Z+1g不同。模块5 V供电，单片机PA4和PA5分别与SCL和SDA相連，本设计系统电路如图3所示。

1.4  GPS定位模块的硬件设计

当系统检测到老人跌倒后，可通过GSM模块将老人实时位置数据以短信形式发送紧急联系人，设计中老人跌倒位置即经纬度信息的获取通过ATGM332D模块实现。

ATGM332D具有高灵敏度特性，且支持单双系统联合定位功能。内部跟踪通道个数多达32个，可以同时接收所有GPS和BDS可见卫星信号，除此之外还具有低功耗、内置天线短路保护功能等关键特性。

本设计中单片机发送数据引脚TXD2（PA2口）与GPS接收数据的引脚RXD相连。

1.5  GSM通信电路的设计

系统设计要求若判断老人处于跌倒状态，则采用GSM无线通信方式以短信方式通知紧急联系人，本设计中GSM模块采用的是SIM800C模块。

SIM800C采用城堡孔封装，通信频率为2.4 GHz，为一款四频GSM/GPRS模块。具有低功耗、体积小、性能稳定等特点。设计采用GMC模式，亦称短信模式，该种模式相对于流量模式而言控制相对简单，操作也极其简便，符合本文老人看护系统设计的要求。数据传输模式如图4所示。

2  高龄老人智能看护终端的软件设计

基于STM32的老人看护系统的软件设计采用模块化的编程方法，包含GSM模块驱动软件设计、按键检测驱动设计、ADXL345检测信号程序设计、GPS模块检测设计。系统首先对单片机和各模块进行初始化，开始进行跌倒检测，若判定跌倒，则声光报警立即启动，并开始15 s计时，若15 s内解除误判按键无按下，则系统判定老人跌倒，获取老人跌倒位置经纬度数据，将位置数据以GSM短信方式发送至指定紧急联系人手机，主程序具体流程图如图5所示。

老人姿态数据采集在软件方面采用中断方式完成加速度信号的数据采集。首先该模块初始化操作，通过定时器计时达50 ms即可产生定时中断信号，此时进入中断处理程序，单片机采集加速度数值，进行姿态分析，若采集数据变化量、变化速度超过临界值，则返回主程序进一步进行处理。如图6所示。

ATGM332DGPS模块支持BDS（北斗）/GPS/GLONASS卫星导航系统的单系统定位以及任意组合的多系统联合定位。通过UART作为主要输出通道与主控MCU完成通信，波特率默认为9 600 bit/s、8个数据位、无校验、1个停止位。按照NMEA0183协议格式输出。通过串口调试助手可以观察到模块输出的报文包含了GPS定位信息（$GPGGA）、地理定位信息（$GPGGL）、当前卫星信息（$GPGSA）、可见卫星信息（$GPGSV）、最简定位信息（$GPRMC）等。根据本设计要求主要获取日期、时间、经纬度等信息，因此，将报文中$GPRMC后的数据进行解析，格式如下：

$GPRMC，，<状态，A定位，V为定位>，<维度，ddmm.mmmm>，<维度方向，N为北纬，S为南纬>，<经度，ddmm.mmmm>，<经度方向，E为东经，W为西经>，。

主控MCU控制SIM800C模块发送报警信息主要过程包括：

1）单片机通过UART发送AT指令，模块返回ok，表示模块通信同步成功。

2）发送AT+CPIN？查询SIM800C是否读到卡，模块返回+CPIN：READY代表读到卡。

3）发送AT+CMGF=1设置为文本模式，返回OK表示成功。

4）发送AT+CSCS=“GSM”设置字符集编码。

5）发送AT+CMGS=“139XXXXXX72”，其中内容为发送对象的手机号码，返回<。

6）将老人报警信息、位置信息等转换为短信息内容发送，最大180字节。

7）发送16进制0x1A完成短信发送工作。如图7所示。

3  高龄老人智能看护终端的系统调试

连接GPS天线，系统上电，系统进行初始化，将实物竖直状态放置（模拟系统口袋放置状态），将实物快速推倒模拟老人跌倒，随即LED灯闪烁，蜂鸣器鸣叫，若15 s内接触误判按键老人没有按下，则系统判定老人跌倒，获取老人跌倒位置经纬度数据，将位置数据以GSM短信方式发送至指定紧急联系人手机，手机短信内容如图8所示。若系统存在误判，则可通过误判解除按键解除声光报警，系统返回继续检测老人姿态状态。

采用实物进行现场模拟演示，实物面板竖直放入口袋，蜂鸣器随即报警，LED灯闪烁，提醒周围人群帮忙，如果15 s内未解除误判，GSM模块会向指定手机发送求救短信，信息内容包括经纬度信息，提供准确位置。本系统设置了独立的解除误判按钮，如果老人因为弯腰等操作造成误鸣，可在15 s内解除误判。经反复测试，系统工作正常。

4  结  论

本设计通过陀螺仪模块实时检测老人身体姿态，经单片机进一步分析判断老人是否为跌倒状态，若判定老人跌倒，則通过本地LED闪烁及蜂鸣器报警方式向路人寻求救援，同时借助GSM模块以短信方式将GPS模块获取的跌倒位置经纬度信息发送至指定紧急联系人手机，以便及时救援；若存在误报，则可在系统设定求助短信发送的时间范围内通过按键模块实现误报的解除。但仍然存在以下不足之处：如GPS在定位时位置数据存在一定偏差，ADXL345加速度传感器在工作时易产生误判等，还有待进一步改进，此外，可增加心率、血氧等检测方案，将本系统的功能性进一步加强。

参考文献：

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作者简介：扈书亮（1983—），男，汉族，河北保定人，讲师，硕士研究生，研究方向：电工电子技术职业技术教育。