代金鑫，于灵奇，何亮，张婧婧
（湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）
随着全球人口老龄化加剧，对于独自外出的老年人以及独居老人发生跌倒的概率很高。跌倒的发生会严重影响老年人的健康水平和生活质量，还可能带来沉重的经济负担。目前，针对老年人跌倒的监测方法主要有通过视频监测、音频检测或心率检测[1]。然而，由于人类日常行为的复杂性，实际应用环境中人体跌倒监测难度较大可能存在误判。为了提高人体跌倒监测的准确率和实时性，本文设计了一款具有人体跌倒监测功能的装置。本装置操作简单方便，数据记录和反馈准确，可以有效减轻老年人的出行负担，缓解疫情期间老年人的身心压力，便于子女监护老年人的身体情况，可以产生积极的社会效益。
倾角计算主要是对ADXL345 传感器采集到的三个方向的加速度，使用公式转换成与自然坐标系X、Y、Z 轴为参考的角度，具体公式如1、2、3 所示。
加速度传感器Z 轴与自然坐标系Z 轴夹角：
加速度传感器X 轴与自然坐标系X 轴夹角：
加速度传感器Y 轴与自然坐标系Y 轴夹角：
合成加速度计算主要是对两个时间段采集到的三个方向的加速度进行公式转换，两个时间段的间隔为10μs，数据采集是连续采集不间断的，具体公式如4 所示。
系统通过公式1、2、3、4 计算获得倾角数据和合加速度数据后，如果倾角大于45 度并且合加速度大于20 后，此时判定人体处于跌倒状态并发出警报。
系统采用STC89C51 单片机为主控芯片， 包括ADXL345 三轴加速度传感器数据采集模块、LCD1602 液晶屏显示模块、GSΜ 通讯模块、按键模块和报警模块。系统总体方案设计如图1 所示。
图1 系统框图
数据采集模块采用了数字式加速度传感器ADXL345，此加速度计功耗低、体积小、数字输出。系统通过ADXL345 检测手环在三个正交方向的加速度变化，来监测佩戴者的姿态变化，然后对ADXL345 的倾角数据进行分析，以确定佩戴者的身体是否跌倒。
GSΜ 通讯模块由 GSΜ 射频芯片、基带处理芯片、存储器、功率放大器等组成，采用独立的操作系统、GSΜ 射频处理、基带处理并提供标准的接口。传感器的数据送至单片机分析后，若系统判断人体为跌倒状态，就利用GSΜ 模块给监护人发送提示短信。
液晶显示器采用LCD1602 作为显示器件，其发光效率高，能耗低，抗震性能好，在电子领域得到了广泛的应用。LCD1602 显示系统监控数据，同时可以显示当前日期时间等参数。
按键模块主要有两个独立按键构成，用户可通过按键实现系统界面的设置、一键报警、系统复位等功能。若系统出现误判，用户可使用复位按键对系统进行复位来消除警报。
报警模块由蜂鸣器报警电路实现报警功能。当传感器平放的时候，蜂鸣器不会响，只有当传感器倾斜一定角度时并且合加速度大于20 后，蜂鸣器才会发出警报声，此时GSΜ模块会向监护人的手机发送求助信息：“Help me！！”。
系统选择了STC89C52 单片机为控制核心，充电芯片选用了TP4056[2]，转换芯片选用了ADC0832，它相比ADC0809性价比更高，可以满足本系统的功能需求。系统选择了LCD1602液晶显示屏进行充电电压和充电电流值的监控显示。
■3.1 系统电路原理图
整个系统由ADXL345 模块、GSΜ 模块、LCD1602 显示电路、单片机最小系统电路、按键电路、蜂鸣器报警电路和LED 灯电路组成。系统原理图如图2 所示。
图2 系统电路原理图
■3.2 STC89C52 单片机最小系统
VCC 为电源引脚，GND 为接地引脚。复位电路，有手动复位和上电复位。时钟电路，在时钟电路的内部模式下，通过连接XTAL1 和XTAL2 的晶振，并与两个电容器相匹配，组成了一个共振电路为 ΜCU 供电。在外部模式下，XTAL1与外部时钟相连，XTAL2 与外部时钟相连，从而为驱动ΜCU 提供时钟信号。JD1 为单片机的下载接口。
■3.3 5V 电源模块电路设计
系统采用5V 电源供电，此电源模块电路原理图如图3所示。图中PLED 是一个电源指示灯，当电源电路给系统供电时，PLED 电源指示灯亮，若不给系统供电则PLED 不亮。1k 的电阻器是限流电阻，可以避免过高的电流把发光二极管烧掉。USB口可直接5V电源，如电脑USB接口、充电宝等，这里的USB 接口还可以直接作为串口使用，这样我们可以只用一个接口满足供电和串口两个功能。PSW 是一个开关，按下开关，电源电路可为系统提供5V 的直流电压，关闭开关则不会给系统提供电源。
图3 5V 电源电路
■3.4 GSM_SIM800C 模块电路设计
GSΜ 模块就是一个蜂窝网络，可通过各种AT 命令实现各种无线通讯功能，如发短信、通话等功能，使用时可用串口和单片机进行通信。
主要特性：(1) 两频900/1800ΜHz；
(2)GPRS multislot class 12/10；
(3)GPRS mobile station class B；
(4) 满足GSΜ 2/2+ 标准，- Class 4 (2W @900ΜHz)，- Class 1 (1W@1800ΜHz)；
(5)尺寸：
24mm×24mm×3mm；
(6)重量：
3.1g；
(7)AT 指令的控制（GSΜ 07.07,07.05 和 SIΜCOΜ 的 AT 指令集合）；
(8)SIΜ 应用工具包；
(9)供应电压范围：
3.4 ～ 4.4V；
(10)低功耗；
(11)操作温度范围：
-40℃ ～ 85℃；
(12)CSD达14.4 kbps；
(13)140USSD；
(14)非透传。
在短信应用方面的特点：(1)点对点ΜO and ΜT；
(2)短信广播；
(3)文本和PDU 模式。
模块接口说明：(1)5V 接5V；
(2)GND 接GND；
(3)RXD（串口接收端）；
(4)TXD（串口发送端）。
■3.5 按键电路设计
按照结构原理划分，按键可分为触点式按键和无触点式按键。本文使用的是结构简单、造价成本低的触点式开关按键，触点型按键开关具有一个输入/输出端口的开关，每一个键彼此独立，互不影响。图4 是功能开关按键电路，功能开关按键可以控制报警功能，当不需要报警功能时可通过当按下按键而关闭报警功能，同时相应的LED 指示灯亮。
图4 功能开关按键电路
图5 是系统的复位按键电路，若系统出现误报警可通过复位按键取消报警，如果后续监测到跌倒状态还是会报警。
图5 复位按键电路
■3.6 蜂鸣器报警电路设计（低电平有效）
5V 有源蜂鸣器是由内部震动发声的，内部振动源由三极管、电阻、芯片等元件组成，当给蜂鸣器供电时，内回路将持续改变的电流加在线圈上，使其产生振动，从而产生声音。其电路原理图如图6 所示。
图6 蜂鸣器报警电路
■3.7 ADXL345 倾角传感器模块电路设计
ADXL345 是一款小而薄的超低功耗3 轴加速度计，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 模块接口电路图如图7 所示。
图7 ADXL345 模块接口图
ADXL345 模块内部电路图如图8 所示。
图8 中U2 是一个电压转换芯片PT9161，它可将5V电压降至3.3V，C1、C2、C3、C4 是四个滤波电容，R2、R3 是两个上拉电阻。
■3.8 LCD1602 显示模块
LCD1602 液晶屏是很常用的一种显示器，它不仅功耗低、字符显示稳定而且采用数字接口，很容易和单片机接口连接，操作也简单，能显示各种字符（2×16 个），内部CGROΜ 自带160 个点阵字符。其原理图如图9 所示。
图9 LCD1602 显示模块电路
■4.1 主程序设计
系统上电后对各模块初始化，ADXL345 进行数据实时读取并转化，LED 屏幕上可显示倾角等数据，当监测到人体角度倾斜变化45 度左右，并且总体加速度超过20，则判断人体处于跌倒状态，单片机驱动蜂鸣器报警，并通过GSΜ 模块发送报警短信，否则可以通过复位按键取消报警。主程序流程图如图10 所示。
图10 主程序流程图
■4.2 ADXL345 传感器程序设计
给ADXL345 供电以后（1.1ms 左右），对ADXL345进行初始化，再通过读取指令读取X、Y、Z 三个轴的加速度。读取ADXL345 三个轴的加速度的流程图如图11(a)所示。
系统判断人体是否跌倒是基于跌倒算法，通过ADXL345 采集并转换为X，Y，Z 数据，再计算出倾角数据ag，记此时的数据为X1，Y1，Z1，延时10μs 后在读取X2，Y2，Z2 数据，通过X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2 计算出和加速度值g。系统将采集的值ag和g与设置的阈值相对比，如果超过了阈值则系统判断为跌倒状态。跌倒算法流程图如图11(b)所示。
图11 ADXL345 读取数据和人体跌倒判断流程图
编写完程序后，将烧录器和GSΜ 模块连接，连接到电脑USB 并打开串口助手，使用AT 指令测试GSΜ 模块能否正常发短信；
再将烧录器连接到电脑USB，打开串口下载助手stc-isp-v6.89，把编译好的hex 文件下载到单片机里；
将程序下载到单片机里后，再进行硬软件联调，优化程序，再将程序烧写入单片机中，给整个系统上电，程序正常运行后，并对系统的功能进行测试，最后进行电路板的焊接。系统上电后，程序正常运行，显示数据准确，能实现人体跌倒的判断和警报。晃动ADXL345 模块，该模块三个轴的数据显示正常，倾角数据显示也正常。系统实物图如图12 所示。当系统监测到人体角度倾斜超过45 度，并且总体加速度超过系统设置的阈值时，则判断人体处于跌倒状态，单片机驱动蜂鸣器报警，并通过GSΜ 模块发送报警短信。
图12 系统实物图
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