摔倒、脈搏監(jiān)測(cè)、PM2.5監(jiān)測(cè)、短信通知等多功能監(jiān)護(hù)設(shè)備

項(xiàng)目介紹

該系統(tǒng)是一款專(zhuān)門(mén)為老年人設(shè)計(jì)的多功能監(jiān)護(hù)設(shè)備，主要由屏幕顯示、CPU主控器、GSM、PM2.5傳感器、ADXL345加速度模塊、MP3、脈搏檢測(cè)電路和時(shí)鐘芯片部分組成。加速度模塊測(cè)得老人加速度的變化，通過(guò)算法判斷老人是否摔倒并通過(guò)GSM模塊發(fā)短信通知監(jiān)護(hù)人。MP3模塊可以進(jìn)行音樂(lè)的切換和音量的調(diào)整，為老人提供娛樂(lè)。通過(guò)PM2.5模塊檢測(cè)出空氣中PM2.5濃度，脈搏檢測(cè)電路檢測(cè)出老年人的脈搏，時(shí)鐘芯片電路計(jì)算出時(shí)間和日期，然后統(tǒng)一在2.2寸的TFT液晶彩屏上顯示出來(lái)。以上所有電路和模塊都是通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)組成的CPU模塊的控制和計(jì)算，具有很大的實(shí)用性。

主要功能

1）摔倒檢測(cè)功能，能夠檢測(cè)到老人意外摔倒，并通過(guò)發(fā)信息告知監(jiān)護(hù)人；

2）脈搏檢測(cè)功能，可以檢測(cè)老人的脈搏，并通過(guò)屏幕顯示出來(lái)；

3）GSM發(fā)短信功能，老人跌倒時(shí)，通過(guò)此裝置發(fā)短信給監(jiān)護(hù)人；

4）PM2.5檢測(cè)功能，檢測(cè)老人周?chē)h(huán)境的空氣質(zhì)量，空氣差時(shí)提醒老人；

5）MP3音樂(lè)功能，老人感到無(wú)聊的時(shí)候可以用來(lái)聽(tīng)樂(lè)曲；

6）液晶屏顯示功能，能夠顯示當(dāng)前時(shí)間日期、老人脈搏以及環(huán)境空氣質(zhì)量；

7）充當(dāng)電話(huà)功能，可以但電話(huà)給固定用戶(hù)。

系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)主要有彩色液晶顯示、脈搏檢測(cè)電路、GSM發(fā)信息、PM2.5測(cè)量、摔倒檢測(cè)、MP3電路、按鍵電路和時(shí)鐘電路等模塊。采用光電式紅外對(duì)管采集脈搏信號(hào)，GSM模塊采用的是SIM900A芯片集成的模塊，測(cè)量PM2.5濃度用的是夏普二代粉塵傳感器GP2Y1050AU0F，用ADXL345加速度傳感器采集加速度來(lái)判斷是否摔倒，采用DS1302時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)。脈搏次數(shù)、PM2.5濃度以及時(shí)間均在液晶顯示屏顯示出來(lái)，可以按鍵播放音樂(lè)和切換音樂(lè)，摔倒報(bào)警經(jīng)過(guò)GSM模塊發(fā)信息出去。

脈搏檢測(cè)部分

主要有前端脈搏采集電路、一級(jí)放大電路、電壓比較電路。紅外對(duì)管采集脈搏信號(hào)，脈搏每跳動(dòng)一下，人手指組織的半透明度數(shù)值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，紅外發(fā)射管能透過(guò)手指的光線(xiàn)強(qiáng)弱也跟著變化。當(dāng)透過(guò)手指的光線(xiàn)比較強(qiáng)時(shí)，紅外接收管輸出低電平；當(dāng)透過(guò)手指的光線(xiàn)比較弱時(shí)，紅外接收管輸出高電平。而且，紅外接收管輸出端輸出的信號(hào)的頻率和心跳的頻率一樣，是一種類(lèi)似于正弦波的波形。

當(dāng)脈搏每分鐘達(dá)四十次時(shí)，檢測(cè)到的信號(hào)的頻率大約為0.78Hz，當(dāng)脈搏每分鐘達(dá)一百二十次時(shí)，檢測(cè)到的頻率是3.33Hz，此信號(hào)是低頻信號(hào)。初級(jí)采集的信號(hào)先通過(guò)濾波器濾掉高頻，再進(jìn)入放大電路放大。放大器的功能是將輸入信號(hào)放大一百倍，而且與其他電路接在一起將信號(hào)再次進(jìn)行濾波。接下來(lái)通過(guò)整形電路整形成方波，再輸出到單片機(jī)的中斷輸如端進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算等進(jìn)一步處理。

摔倒檢測(cè)部分

本設(shè)計(jì)中ADXL345與單片機(jī)之間是通過(guò)IO口模擬I2C來(lái)進(jìn)行通信，所以只需要兩根線(xiàn)進(jìn)行連接。單片機(jī)通過(guò)不停地檢測(cè)該模塊，檢測(cè)老年人加速度的變化，再結(jié)合一些跌倒算法，判斷老人是否跌倒。

ADXL345能夠檢測(cè)出三個(gè)方向的加速度變化量，能夠檢測(cè)的加速度范圍很高，分辨率也能達(dá)到很高。通過(guò)檢測(cè)到加速度，還能根據(jù)公式算出角度變化量，所以也可以當(dāng)作角度傳感器來(lái)使用。它還能檢測(cè)一些振蕩動(dòng)作以及檢測(cè)摔倒，并且該傳感器還帶有中斷輸出引腳，使用非常方便。ADXL345的靈敏度很高，所以可以應(yīng)用到一些比較精密的設(shè)備上。ADXL345與單片機(jī)之間可以通過(guò)I2C或者SPI通信，程序簡(jiǎn)單便捷，上手快，使用簡(jiǎn)單并且速度快，很具有實(shí)用價(jià)值。并且ADXL345的功耗非常低，節(jié)能省電。

程序流程圖

系統(tǒng)操作說(shuō)明

1）開(kāi)啟電源，看到GSM模塊信號(hào)燈閃爍，直到信號(hào)燈按照亮100ms滅750ms的頻率閃爍時(shí)表示GSM模塊已接入網(wǎng)絡(luò)；

2）給MP3模塊插上一張存有音樂(lè)的TF卡，按“播放鍵”播放音樂(lè)，按“左鍵”和“右鍵”切換音樂(lè)；

3）按“時(shí)間鍵”進(jìn)入時(shí)間修改狀態(tài)，然后按“上鍵”，“下鍵”，“左鍵”，“右鍵”修改時(shí)間，修改完畢時(shí)再按“改時(shí)間鍵退出修改時(shí)間界面；

4）按下“脈搏測(cè)量鍵”，脈搏測(cè)量指示燈亮，把手指放到紅外對(duì)管之間，脈搏測(cè)量開(kāi)始，直到聽(tīng)到一聲響聲，表示脈搏測(cè)量完畢，脈搏次數(shù)在屏幕上有顯示；

5）按下“摔倒檢測(cè)鍵”，摔倒檢測(cè)指示燈亮，摔倒檢測(cè)功能開(kāi)啟，再按一下，指示燈滅，摔倒檢測(cè)功能關(guān)閉；

6）在主界面，按“上鍵”撥打電話(huà)給固定的電話(huà)號(hào)碼，按“下鍵”結(jié)束通話(huà)。

系統(tǒng)總結(jié)

整形電路中已把脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，用示波器來(lái)檢測(cè)這個(gè)方波信號(hào)作為對(duì)比。以上脈搏測(cè)量的數(shù)據(jù)是在手指沒(méi)有劇烈抖動(dòng)、沒(méi)有其他強(qiáng)烈光源影響的前提下測(cè)的。從表格的數(shù)據(jù)可以看出所測(cè)數(shù)據(jù)基本和示波器所測(cè)的數(shù)據(jù)基本一樣，有且只是相差1次左右。雖然沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的脈搏測(cè)量?jī)x作比較，但在設(shè)計(jì)中最后脈搏信號(hào)輸出的地方加了一個(gè)LED燈電路，隨著脈搏的跳動(dòng)，LED燈也跟著閃爍，閃爍頻率和脈搏跳動(dòng)一致。所以，排除其他強(qiáng)烈的外界因素外，脈搏測(cè)量是比較準(zhǔn)的。

跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，把本設(shè)計(jì)綁在人的腰間，人向多個(gè)方向的下方突然運(yùn)動(dòng)來(lái)模仿跌倒。程序中跌倒檢測(cè)是根據(jù)加速度的變化量來(lái)判斷的，從上面表格的數(shù)據(jù)中可以看出測(cè)量值跟真實(shí)值也是很相近的，有且只是相差1次左右。所以，本方案檢測(cè)摔倒比較準(zhǔn)確。

PM2.5濃度測(cè)試的時(shí)候，正常情況下PM2.5的值為40左右。對(duì)著傳感器噴一口煙，數(shù)值會(huì)上升，煙的濃度越高，PM2.5的值越高。由于沒(méi)有一個(gè)比較正規(guī)的儀器作為比較，所以不敢說(shuō)本設(shè)計(jì)所測(cè)得的PM2.5數(shù)值很準(zhǔn)確，但是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)測(cè)得的值還是比較準(zhǔn)確的。

ADXL345介紹

ADXL345是一款小而薄的低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高（13位），測(cè)量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI（3線(xiàn)或4線(xiàn)）或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。

ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率(4 mg/LSB)，能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。

該器件提供多種特殊檢測(cè)功能。活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，以及任意軸上的加速度是否超過(guò)用戶(hù)設(shè)置的限值。敲擊檢測(cè)功能可以檢測(cè)單擊和雙擊動(dòng)作。自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)器件是否正在掉落。這些功能可以映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。正在申請(qǐng)專(zhuān)利的32級(jí)先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，最大程度地減少主機(jī)處理器的干預(yù)。

低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。