李和，蒋红梅
（1.桂林师范高等专科学校，广西桂林，541199；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林，541004）
据统计，目前中国60岁及以上老年人数量已超过2.5亿，随着老龄化社会的到来，老年人的健康照料和养老问题已成为迫切需要解决的社会问题。数据统计表明，我国老年人中至少每年有2500万以上的人突发跌倒损伤事故，占老年人意外伤害事件中的比例高达55.73%，可见，跌倒是威胁老年人生命健康安全的重要因素之一[1]。因此，老年人跌倒检测及快速定位报警技术已成为关爱老年人生命健康科研领域的重要研究方向。北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统，可在全球范围内为各类用户提供全天候的高精度定位、导航和授时服务，同时具备短报文通信的能力[2]。微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical System)传感器以其重量轻、体积小、耗能低且性能成熟稳定等优势，近年来在加速度检测、运动检测及状态检测等方面得到了广泛应用[3]。本文以此为背景，基于北斗定位技术及MEMS加速度传感器技术，设计一款便携式定位及跌倒检测终端，设备适合老年人穿戴并具有跌倒自启动的功能，当老年人突发跌倒险情时，设备自动开机并把包含跌倒位置的求救信息发送到老人的子女或指定监护人的手机上，从而得到精准及时的救助。
1 跌倒检测终端的总体结构
基于北斗定位的跌倒检测终端设备主要包括主控处理器（MCU）、北斗RNSS定位模块、GPRS通信模块、跌倒检测模块、电源模块、报警指示模块和一键呼救按键等，其实现框图如图1所示。
系统采用可穿戴式设计，可佩戴于老人的腰部或腿部。为提高效率，当老人在非跌倒情况下，终端处于休眠待机状态；当老人出现跌倒状态时，报警指示模块进行蜂鸣/震动报警，提醒佩戴者进行报警判断：终端设有人工一键呼救和跌倒自启动两种求救方式，大部分老人跌倒后，可在20秒以内再次站起来，自行消除报警信息不对外发送，或选择一键呼救按键报警求救；如果蜂鸣/震动报警器超过25秒没有复位时，判断为老人摔倒严重且不具备蜂鸣/震动取消操作能力，则直接启动报警程序。当主控处理器接收到一键呼救按键命令或跌倒检测模块启动报警命令后，终端将包含自身位置的求救信息通过GPRS模块发送至老人的子女或指定监护人的手机上，帮助老人亲友第一时间获取其实时摔倒位置，实现快速精准救援。
2 跌倒检测终端的硬件设计
■2.1 主控处理器（MCU）
终端采用STC15F2K60S2单片机作为主控处理器，控制北斗RNSS定位模块、跌倒检测模块、一键呼救模块、GPRS通信模块及电源模块、报警指示模块等重要模块。主控处理器一方面对北斗RNSS定位模块送过来的卫星无线电导航信号进行读取、解析及综合处理后，得到用户的位置、时间等定位信息；另一方面，当接收到一键呼救按键命令或跌倒检测模块启动报警命令后，主控处理器负责将包含自身位置的求救信息按GPRS短消息格式进行封装和打包，并将打包和封装好的求救信息传送至GPRS通信模块。本设计的主控处理器电路如图2所示。
图2 主控处理器电路
■2.2 北斗RNSS定位模块
北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模块，是用来接收卫星无线电导航信号，自主完成最少与4颗卫星的距离测量，并进行用户位置、速度及航行参数的计算，实现用户位置、时间、速度等信息的获取。本次设计北斗定位模块采用的是和芯星通公司的UM220-IV模块，该模块支持BDS B1+GPS L1双系统联合定位或单系统独立定位，在双系统水平下定位精度能达到2.5m CEP，测速精度为0.1m/s，垂直定位精度为5m CEP，跟踪灵敏度可达-161dBm。UM220-IV模块输入/输出信号类型为LVTTL电平，与单片机配合使用无需进行电平转换。北斗定位模块电路如图3所示。
图3 北斗定位模块电路
■2.3 跌倒检测模块
人在正常活动时与跌倒过程中，有不同的加速度。人在正常行走时的总加速度是以1g为中心，正负1g的范围内波动，其中g为重力加速度取值为9.8N＊m/s；当在跑步或在一定高度跌倒的时候，总加速度一般在4g以上。因此，通过设置总加速度的临界值可以判断人员是否跌倒，考虑到跌倒情况有一定的差异性，结合实验结果，本设计的临界值设置为大于3g时触发单片机启动发射程序报警。
跌倒检测模块中采用小巧轻薄的ADXL345加速度传感器，ADXL345是ADI公司推出的基于 MEMS技术的3轴数字输出加速度传感器。其分辨率高达13位；灵敏度高达3.9mg/LSB，能测量到最小1.0°的倾斜角度变化；具有±2g，±4g，±8g，±16g可变的测量范围；具有40～145uA的超低功耗，待机模式只有0.1uA；采用LGA封装，整个IC的尺寸只有3mm×5mm×1mm；支持标准的I2C或SPI数字接口，中断方式灵活并且内部有多种运动状态检测特性，包括非活动或活动检测、敲击检测或自由落体检测，可测量静态加速度，运动或冲击引起的动态加速度。跌倒检测电路如图4所示。
图4 跌倒检测模块电路
■2.4 GPRS通信模块
GPRS通信模块采用的是一款四频GSM/GPRS模块SIM800H，其性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足客户的多种需求。SIM800H工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输。SIM800H尺寸为15.8×17.8×2.4mm，能适用于各种紧凑型产品设计需求。同时通过支持蓝牙/FM和Embedded AT等高级特性，可以为客户节省成本和快速开发带来更多便利。SIM800H的异步串口通信引脚可以直接与MSP430处理器相连，并且实际应用时可插入SIM卡，符合本次设计系统的开发要求。
3 跌倒检测终端的软件设计
图5 跌倒检测终端的软件流程图
北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183标准协议，主要由帧头、帧内数据和帧尾组成。帧头主要有"$XXRMC”、"$XXGSA”、"$XXGSV”以及"$XXGGA”等，其中XX为BD是北斗模式。通常情况下，我们关心的定位信息如经纬度、海拔、时间等数据均可以从"$XXRMC”帧中获得[4]。软件采用C语言编写，当电源打开时，单片机对北斗RNSS定位模块信息进行读取、解析及综合处理后，得到用户的位置、时间等定位信息存入指定的寄存器；当接收到一键呼救按键命令或跌倒检测模块启动报警命令后，单片机发射程序启动，控制GPRS通信模块以间隔30秒发射一次包含用户位置的求救信息。跌倒检测的软件流程如图5所示。
4 结束语
以上是基于北斗定位技术及MEMS传感器设计的一款便携式跌倒检测终端。利用三轴加速度传感器进行跌倒检测，利用北斗RNSS定位模块检测跌倒发生的位置，采用GPRS通信模块将包含跌倒位置的求救信息发送到老人亲友的手机上，从而得到及时精准的救援。设备采用可穿戴式设计并具有跌倒自启动的功能，具有广阔的应用前景。
