马华彬 王臣炜 韩桂明

【关键词】智能腰带;精准;保护;可穿戴设备;嵌入式

我国于20世纪末进入老龄化社会，预计到2050年将进入深度老龄化阶段，成为老龄化程度最严重的国家[1]，这也将从多方面给我国社会带来巨大的压力和挑战。整个国际社会都在关注老龄化问题，而一直以来，老年人失踪、跌倒事件频频发生，其造成的后果十分严重。于是，老年人的安全监护成了一个突出的社会性问题[2]。随着年纪增长，老年人身体机能下降并伴随多种老年性疾病，使之在日常生活中更容易跌倒，解决此问题的核心技术便是跌倒检测技术与保护装置。此外，当前社会老年人跌倒后无人敢搀扶、无人敢救，渐渐成为一种普遍的社会现象，在这种情况下，跌倒对老年人来说更是致命的。如何在信任危机日益严重的社会中维护老年人的生命健康权利，成为日渐重要的议题。因此针对老年人对安全保证的迫切需求，利用电子信息技术对于解决此问题有着极大的社会价值。

一、系统总体方案

STM32F411CEU6作为本设计的主控芯片，利用芯片的IIC外设接口对MPU6050陀螺仪和BMP280气压计的数据采集和AT24C02进行数据存储;利用USART串口接口对SIM800无线通信通讯物联网核心板进行数据的交换，通过STM32F411CEU6芯片的USART串口接口发送AT指令，将SIM800无线通信通讯物联网核心板所采集到的位置信息返回给控制中心進行处理，当检测到老人发生危险时，也由SIM800无线通信通讯物联网核心板向老人的监护人发送紧急求救短信，并通过蜂鸣器进行报警，引起周边人的注意，实施救援。

电源模块设计：在本设计中STM32F411CEU6芯片的工作电压在1.7V～3.6V之间，而平时使用的锂电池的电压是4.2V，超过了该芯片最大的工作电压，所以必须加个降压稳压电路，为了方便，我们用了AMS1117-3.3芯片把电压降至3.3V。又由于SIM800模块的启动电压和启动电流要求较高需要到5V的电压和1A的电流，所以采取的方案是将两节锂电池串联。

显示模块设计：OLED12864液晶显示屏。之所以它叫OLED12864，是因为它的分辨率就是128*64，是由128*64个点组成的显示，可以通过程序来控制这些点的显示效果，构成更完美的人交互界面。OLED12864具有8位并行、2线或者3线串行多种接口方式，由于并行驱动占用IO口较多，所以本项目采用的是穿行SPI的驱动方式。OLED的工作电压为3.0V～5V，我们这里为了降低功耗所以用了3.3V。

MPU6050陀螺仪设计：MPU6050在本项目中起到至关重要的作用，没有了它，该项目就无法对老人姿态进行检测。MPU6050是世界上第一款集成6轴设备，内部集成了3轴陀螺仪与3轴加速度计，和一个数字处理器，体积封装虽小，但是功能强大。MPU6050通过IIC接口与单片机进行通信，可以通过不同的指令进行读写操作。MPU6050的工作电压范围是2.5V～3.6V，该设计用了3.3V的电压对其供电。内部也集成了可编程的外部中断，如自由落体中断、敲击响应中断、摇动感应中断。因此MPU6050被广泛用于手机、摄影云台、四轴飞控等领域。

GPS定位模块设计：在本设计中我们采用的GPS定位模块是杭州中科微电子的ATGM336H，该模块是第三代北斗+GPS双模导航定位，支持多种卫星导航系统。该模块具有高灵敏度、低功耗等优势。适用于导航和可穿戴设备，据了解，许多共享单车都用的该模块。该模块的工作电压范围是2.7V～3.6V，该设计用的是3.3V，刚好在正常工作电压范围内。该模块还内置天线检测及天线短路功能为开发和设计节省了大量时间。通信方式主要是以串口的方式，直接发送AT指令来控制和获取数据，简单方便。为了降低功耗，本设计还利用RT9193电源管理芯片对该模块电源的独立控制，在检测到老人没佩戴或者不移动时可以通过IO的高低点平对电源模块进行使能、失能操作

二、系统软件概述

本系统软件部分是由：系统初始化、外部硬件初始化、开启定时器、外部中断给相关寄存器赋初值。配置MPU6050陀螺仪，BMP280气压计，让其工作。配置完后进入循环中断系统，首先进入的是通过AD采集光敏电阻电压后检测佩戴，若检测到未佩戴模式，则进入低功耗模式，关闭无须工作的外设，从而达到低功耗目的，若检测到为佩戴状态则运行后续。定时器采集MPU6050陀螺仪数据和BMP280数据进行数据融合，通过算法得出老人姿态，然后进行信号触发，信号触发后进行警报，以及发送短信求救。

三、瞬间闪护系统

由于老人年龄的增长，反应速度越来越慢，在遇到摔倒这种突发情况时，老人佩戴的摔倒实时保护腰带会瞬间产生响应，并在老人失去平衡的瞬间触发智能防护系统，进行有效地保护。这套系统不受环境和运动的限制，老人穿戴该腰带时可以进行一切有益于身体健康的运动。

四、智能防护系统

该系统主要包括气囊和气瓶，可以实现通过接收到瞬间闪护系统的触发信号，进行气瓶与气囊之间的智能充气，既可以最大限度满足老人摔倒防护需求，也可以让老人在摔倒时不必受到痛苦的折磨，而是在摔倒在地时有舒适的气囊进行保护。

五、智能报警系统

目前远程报警可以分为两类，一类是老人摔倒时对移动端发送的紧急指令。另一类是老人摔倒后，报警装置启动，吸引周围人的注意，进行有效的救助，简单讲就是对老人的身体健康进行实时监控，即对老人摔倒时的紧急提醒，也就是目前市场上常说的安全报警系统。

六、结论

本腰带体积小，佩戴方便，老人佩戴该装置不受气候、时间、运动等因素的限制，可以每天起床时像衣服一样穿戴并进行工作，且触发精度高。这款产品能在一定程度上减轻老人摔倒时受到的冲击力。这项研究技术能服务于老人的生活，用智能科技改善老人的生活质量。这次的设计从最开始的灵感到落定计划再到实施最后到完成，经过长达一年的制作过程，最终完成了智能腰带的设计。