丁海濤

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

0 引言

目前，我國人口老齡化程度持續(xù)加深。由第七次全國人口普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，60歲及以上人口為26 402 萬人，占18.70%（其中，65 歲及以上人口為19 064萬人，占13.50%）。與第六次全國人口普查相比，60 歲以上老人比重上升5.44 百分點［1］。目前，農(nóng)村人口為50 979 萬人，占全國人口的36.11%。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，大量農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)流動［2］。特別是，年輕人為了工作、子女上學(xué)等更愿意在城市生活，導(dǎo)致在農(nóng)村居住的多為老年人，農(nóng)村慢慢成為留守村、老人村。隨著年齡的增長，老人患突發(fā)疾病的風險持續(xù)增加，成為在外工作子女最擔心的事情。

近年來，有很多學(xué)者對老人監(jiān)測系統(tǒng)、老人發(fā)生意外報警系統(tǒng)進行研究。曹晉等［3］提出一種融合物聯(lián)網(wǎng)和超聲波傳感技術(shù)的獨居老人監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實時準確監(jiān)測與預(yù)測用水量，為獨居老人的生活提供安全保障，但該方案只適合在城市居住的老人，不適合在農(nóng)村使用，這是因為農(nóng)村取水方式較多。焦鳳敏等［4］提出基于STM32 的防丟及摔倒報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將老人摔倒信息以短信的形式發(fā)送給家屬，并發(fā)出聲光報警，提示路人進行救助，但該系統(tǒng)仍沒有解決老人突發(fā)疾病時需要救助的問題。田永毅等［5］提出基于GSM 的遠程醫(yī)療呼救系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過監(jiān)測用戶的生命體征，并進行跌倒識別，利用GSM 來無線傳輸呼救數(shù)據(jù)，使老人及時得到救助，但老人要使用電子血壓計才能有效報警，缺少主動求救功能。

為解決上述問題，本研究設(shè)計出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老人求救系統(tǒng)，該系統(tǒng)正常運行時，老人按下求救按鈕，家中報警器會發(fā)出聲光報警來提示路人，并將求救短信發(fā)送到家屬或聯(lián)系人手機上，同時采用無線方式來啟動同村其他留守村民家中的報警器，并通過顯示器顯示求救家庭編號。當一定時間內(nèi)監(jiān)測不到老人活動信號，該系統(tǒng)會自動報警。該系統(tǒng)能加強老人救助的時效性，且?guī)в星缶劝粹o的求救裝置一般有兩個，體積較小、質(zhì)量較輕，一個可戴在脖子上，另一個可安裝在床頭，方便老人及時求救。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

選用STM32和CC2530兩種芯片為系統(tǒng)的控制芯片，STM32 為主控芯片，包括定位模塊、GSM 模塊、聲光報警模塊、藍牙模塊、顯示模塊，CC2530 包括Zigbee 模塊、活動監(jiān)測模塊。老人在按下求救按鈕后，STM32 主控芯片會及時接收信號，并發(fā)出控制指令，聲光報警模塊發(fā)出聲光報警，同時STM32主控芯片會發(fā)出控制指令給Zigbee 模塊，使其發(fā)出無線信號，同村村民家中的系統(tǒng)在接收到無線信號后會發(fā)出報警提示，并顯示報警信號的來源編號。STM32 主控芯片會控制GSM 模塊發(fā)出報警信息給老人的家人或聯(lián)系人。求救裝置與STM32 之間采用無線藍牙進行通信。以農(nóng)村某戶家庭為例，求救系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 求救系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件

2.1 控制芯片

以STM32F411RET6 為主控芯片，STM32F411 MCU 可在工作頻率為100 MHz、支持浮點運算單元的Cortex?-M4內(nèi)核中運行，STM32F411器件內(nèi)置高達512 kB Flash和128 kB SRAM、1個16位高級定時器、2個32位通用定時器、5個16位通用定時器、3路USART、5路SPI/I2S、3路I2C、1路SDIO、1路12位16通道ADC、1個全速USB 2.0 OTG、50個通用數(shù)字I/O口［6］。芯片引腳如圖2所示。

圖2 STM32F411RET6引腳

CC2530 芯片是一種增強型的8051CPU，支持可編程閃存，RAM 大小為8 KB，支持2.4 GHz IEEE802.15.4、Zigbee 等無線通信，輸出功率可通過編程進行修改，最大為4.5 dBm，其抗干擾能力強、靈敏度高，有21個通用I/O 引腳，具有8路輸入和可配置分辨率的12 位ADC，有16 位和8 位定時器各一個，支持多種串行通信協(xié)議。CC2530 無線通信的距離一般為10～100 m，考慮到農(nóng)村各戶的居住距離，使用CC2530 Zigbee 模塊中有射頻前端的模塊CC2591，“CC2530+CC2591”帶天線模塊在空曠中的通信距離為1 000 m 左右，完全滿足該系統(tǒng)對無線通信距離的要求［7］。

2.2 GSM模塊

GSM模塊可與STM32通過串口形式進行通信，GSM 模塊具有發(fā)送短信、語音通話等功能，單片機通過AT指令來實現(xiàn)相關(guān)通信功能。GSM 模塊要提前裝入電話卡，設(shè)定需要發(fā)信息、自動撥號的目標手機號后，在接收到來自控制單元發(fā)出的指令后，會自動向目標號碼發(fā)送報警信息或報警電話。本研究選用的GSM 模塊為SIM900A 模塊，其支持SMA天線接口和IPX MINI天線接口［8-9］。

2.3 定位模塊

目前，定位模塊的應(yīng)用場景越來越多，如車載導(dǎo)航、可穿戴設(shè)備及手持定位等。本研究使用的定位模塊為“GPS+北斗定位”［10］。定位模塊將接收到的經(jīng)度、緯度信息發(fā)送給主控芯片，主控芯片存儲經(jīng)緯度值。當有危險發(fā)生時，主控芯片將報警信息和經(jīng)緯度值發(fā)送給老人的家人或聯(lián)系人。該系統(tǒng)選用的定位模塊為“WTGPS+BD”，定位精度為2.5 m、熱啟動捕捉時間為1 s、冷啟動捕捉時間為32 s，有4 個引腳，分別為VCC、RXD、TXD、GND，供電電源為3.3～5 V，符合系統(tǒng)使用要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

對整個系統(tǒng)進行初始化，確保各模塊能正常工作，使系統(tǒng)處于循環(huán)監(jiān)測狀態(tài)中。

3.1 一鍵求救功能

當老人因突發(fā)疾病而摔倒時，只要按下任一個求救按鈕，STM32 就會監(jiān)測到求救信號。首先，STM32會控制聲光報警模塊發(fā)出報警信息。其次，發(fā)送指令給CC2530 Zigbee 模塊，將求救信息和設(shè)備編號發(fā)送給本村其他村民家中的系統(tǒng)接收器，提示村民家中報警器進行報警，村民家中的顯示器會顯示編號。再次，控制器會讀取定位模塊中的定位信息，并控制GSM 模塊發(fā)出求救短信給老人的家人或聯(lián)系人。最后，軟件重新進入循環(huán)監(jiān)測模塊。一鍵求救功能的程序流程如圖3所示。

圖3 一鍵求救功能的程序流程

3.2 自動求救功能

將紅外傳感器安裝在老人居住臥室的墻上，用于監(jiān)測老人活動，從而判斷是否會發(fā)生危險。主控芯片要進行24 h定時計數(shù)，當紅外傳感器發(fā)送有老人活動的信號給主控芯片時，定時器要重新開始計數(shù)，不會發(fā)生報警求救信號。當紅外傳感器沒有發(fā)送信號給主控芯片時，判斷定時時間是否到24 h，若已達到24 h，直接發(fā)送求救信號，處理流程與圖3一致；若定時時間沒有達到24 h，定時器繼續(xù)定時計數(shù)。自動求救功能程序流程如圖4所示。

圖4 自動求救功能流程

4 結(jié)語

本研究設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老人求救系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一鍵求救功能和自動求救功能。當老人在家中發(fā)生危險時，可通過一鍵求救功能進行求救。該系統(tǒng)可同時發(fā)出3 種求救信號，能極大提高老人被及時救助的概率，且該系統(tǒng)增加射頻前端模塊，信號通信距離滿足要求，基本能覆蓋同一個村莊或居住區(qū)域。該系統(tǒng)還增加自動求救功能，為老人獨自生活提供安全保障，從而提高老人生活質(zhì)量，對農(nóng)村智慧生活具有重要的促進作用。