引言

據(jù)聯(lián)合國預測，我國老年人口增長將分為三個階段：第一個階段是平緩加速階段(2000—2028年)，65歲及以上人口將從不足1億增加到并超過2億，平均每年增加近400萬;第二個階段是急速增加階段(2028—2038年)，65歲及以上人口將由2億增加到并超過3億，平均每年增加1000萬；第三個階段是基本平穩(wěn)階段(2038—2050)年，65歲及以上人口將由3億增加到3.34億,平均每年增加280萬。老年人口激增,社會對應用于老年人的監(jiān)護系統(tǒng)的需求越來越迫切。摔倒是老年人經(jīng)常遇到的危險情況，尤其是老人摔倒后未得到及時救治已成為造成老年人意外傷亡的首要原因。另外，老人、智障者以及兒童“走失”的問題時有發(fā)生，也成為困擾許多家庭的難題。因此，開發(fā)一款實用便捷的戶外監(jiān)護系統(tǒng)非常有意義。目前市場上存在的戶外監(jiān)控系統(tǒng)多為針對用戶地理位置的，并沒有摔倒檢測功能，監(jiān)控平臺多為采用C/S架構(gòu)。本文設(shè)計的系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的，同時也具備摔倒檢測功能，因而具有更高的應用價值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由監(jiān)護終端和監(jiān)控中心兩大部分組成。監(jiān)護終端以MCU(MicroControlUnit)微控制器為中心，在GPS衛(wèi)星定位模塊、摔倒檢測模塊和GPRS/GSM無線通信模塊的配合下，實現(xiàn)位置信息的采集、摔倒判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瑫r在外觀上制作成腕表的樣式，以便于攜帶。監(jiān)控中心采用B/S(Browser/Server)架構(gòu)設(shè)計，這種架構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計的總體目標是實現(xiàn)對老人摔倒后的及時準確警報，對老年人、兒童、智障者的準確定位追蹤。為保證以上總體目標的實現(xiàn)，系統(tǒng)需要達到三個具體目標：第一，摔倒檢測算法的優(yōu)化，既要使算法的準確性滿足要求，確保足夠低誤報率，又要使算法盡可能簡潔，保證實時性的要求。第二，警報信息的及時準確傳輸，確保無線通信模塊準確地響應MCU微控制器的指令，并把用戶的地理位置信息實時上傳到遠程服務(wù)端。第三，用戶地理位置的遠程追蹤，查詢實時化，并保證可以通過訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫查詢用戶的歷史記錄和進行實時追蹤。

圖1系統(tǒng)總體框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要由衛(wèi)星定位模塊、摔倒檢測和無線通信三個模塊組成。衛(wèi)星定位模塊用于實時監(jiān)測用戶所處位置和移動速度參數(shù)，摔倒檢測模塊用于實時監(jiān)測加速度參數(shù),無線通信模塊用于發(fā)送警報和求救信息，實時上傳用戶所處位置信息到遠程服務(wù)端。各模塊在MCU的控制下相互配合，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件原理框圖

2.1MCU微控制器

MCU采用msp430f149單片機，該單片機采用16位的RSIC結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行速度快，單條指令執(zhí)行的時間只需125ns。同時該單片機具有超低功耗的特點，在待機模式下工作的電流只有1.6uA,就是在2.2V、1MHz的活動模式下工作電流只有280uA。因此，選用這款單片機作為本系統(tǒng)的MCU非常合適。

2.2衛(wèi)星定位模塊

衛(wèi)星定位模塊采用環(huán)天世通科技公司ET-662衛(wèi)星接收模塊，該模塊具有體積小，敏感度高，定位速度快等特點。它通過UART與MCU通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，定位數(shù)據(jù)每秒刷新一次。

2.3摔倒檢測模塊

摔倒檢測模塊采用亞德諾半導體公司（AnalogDevice）生產(chǎn)的ADXL345,它是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計,分辨率高（13位），測量范圍達±16g，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動設(shè)備應用，既可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度。在本系統(tǒng)中，ADXL345采用I2C接口與MSP430F149通信。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊，它是一款二頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM900MHz和DCS1800MHz，支持GPRSmulti-slotclass10/class8（可選）和GPRS編碼格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計，所以在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA。此夕卜，SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的TCP/IPAT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應用時非常有用。在本系統(tǒng)中，SIM900A采用UART接口與MSP430F149通信。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

戶外監(jiān)護系統(tǒng)的軟件分為終端監(jiān)護程序和監(jiān)控中心兩個部分。終端監(jiān)護程序主要是實現(xiàn)對用戶信息的采集和傳輸，監(jiān)控中心軟件主要是完成對數(shù)據(jù)的存儲，及交互界面的設(shè)計。

3.1終端監(jiān)護程序

本系統(tǒng)的終端監(jiān)護程序流程圖如圖3所示。

圖3終端監(jiān)護程序流程圖

圖3中，首先是對MCU進行初始化，之后MCU處于偵聽狀態(tài)，一旦檢測到摔倒、查詢、定時中斷，MCU做出相應的響應。其中摔倒的優(yōu)先級最高，查詢其次，定時中斷的優(yōu)先級最低。主要完成以下三個任務(wù):第一，接收摔倒檢測數(shù)據(jù)，通過摔倒檢測算法，判定是否摔倒；第二，接收無線通信模塊的用戶狀態(tài)查詢請求，并根據(jù)查詢請求的內(nèi)容回復用戶所處位置、移動速度和行動方向等信息；第三，接收衛(wèi)星定位模塊的數(shù)據(jù)幀，提取數(shù)據(jù)幀中的經(jīng)緯度坐標值，并通過無線通信模塊將該坐標值發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)以上三個任務(wù)，可將終端監(jiān)護程序劃分為摔倒判定模塊、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、用戶狀態(tài)查詢回復模塊。

3.2監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心采用三層B/S體系結(jié)構(gòu)，是對C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)的一種變化或改進的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)的，少部分事物邏輯在前端實現(xiàn)，主要事物邏輯在服務(wù)器端實現(xiàn)，形成所謂的三層架構(gòu)。

監(jiān)控中心與客戶端之間的體系架構(gòu)可以分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層。表示層支持矢量圖形數(shù)據(jù)的顯示和地圖操作，將位置信息經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換生成獨立的圖層，疊加在背景電子地圖上；業(yè)務(wù)邏輯層用于實現(xiàn)客戶端和WebServer服務(wù)器之間的通信，主要完成GPS定位信息處理、GIS處理和摔倒警報信息處理等功能；數(shù)據(jù)訪問層主要負責用戶摔倒信息數(shù)據(jù)庫、GPS信息數(shù)據(jù)庫、地圖屬性數(shù)據(jù)庫和日志文檔的存儲管理和維護。數(shù)據(jù)訪問層和表示層被業(yè)務(wù)邏輯層分隔，客戶端訪問的是應用程序，由應用程序?qū)?shù)據(jù)進行查詢和存取，在提高系統(tǒng)性能的同時簡化了對數(shù)據(jù)的管理。監(jiān)控中心與客戶端之間的體系架構(gòu)圖如圖4所示。

4結(jié)語

本文提出了一套從底層硬件到上層軟件的系統(tǒng)設(shè)計方案，可以滿足對老人、兒童和智障者的日常監(jiān)護。底層硬件釆用功耗低、穩(wěn)定度高、體積小的器件，符合戶外用品對實用性要求高的特點。上層軟件釆用B/S架構(gòu)設(shè)計，具有使用方便、實時性好、可靠性高等諸多優(yōu)點?？傊?，該方案必將在很大程度上消除老人、兒童和智障者的日常生活隱患，為老人、兒童和智障者的日常生活保駕護航。

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