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摔倒、脉搏监测、PM2.5监测、短信通知等多功能监护设备

摔倒、脉搏监测、PM2.5监测、短信通知等多功能监护设备

项目介绍

该系统是一款专门为老年人设计的多功能监护设备,主要由屏幕显示、CPU主控器、GSM、PM2.5传感器、ADXL345加速度模块、MP3、脉搏检测电路和时钟芯片部分组成。加速度模块测得老人加速度的变化,通过算法判断老人是否摔倒并通过GSM模块发短信通知监护人。MP3模块可以进行音乐的切换和音量的调整,为老人提供娱乐。通过PM2.5模块检测出空气中PM2.5浓度,脉搏检测电路检测出老年人的脉搏,时钟芯片电路计算出时间和日期,然后统一在2.2寸的TFT液晶彩屏上显示出来。以上所有电路和模块都是通过STC12C5A60S2单片机组成的CPU模块的控制和计算,具有很大的实用性。

主要功能

1)摔倒检测功能,能够检测到老人意外摔倒,并通过发信息告知监护人;

2)脉搏检测功能,可以检测老人的脉搏,并通过屏幕显示出来;

3)GSM发短信功能,老人跌倒时,通过此装置发短信给监护人;

4)PM2.5检测功能,检测老人周围环境的空气质量,空气差时提醒老人;

5)MP3音乐功能,老人感到无聊的时候可以用来听乐曲;

6)液晶屏显示功能,能够显示当前时间日期、老人脉搏以及环境空气质量;

7)充当电话功能,可以但电话给固定用户。

系统框图

该系统主要有彩色液晶显示、脉搏检测电路、GSM发信息、PM2.5测量、摔倒检测、MP3电路、按键电路和时钟电路等模块。采用光电式红外对管采集脉搏信号,GSM模块采用的是SIM900A芯片集成的模块,测量PM2.5浓度用的是夏普二代粉尘传感器GP2Y1050AU0F,用ADXL345加速度传感器采集加速度来判断是否摔倒,采用DS1302时钟芯片进行计时。脉搏次数、PM2.5浓度以及时间均在液晶显示屏显示出来,可以按键播放音乐和切换音乐,摔倒报警经过GSM模块发信息出去。

脉搏检测部分

主要有前端脉搏采集电路、一级放大电路、电压比较电路。红外对管采集脉搏信号,脉搏每跳动一下,人手指组织的半透明度数值会发生相应的变化,红外发射管能透过手指的光线强弱也跟着变化。当透过手指的光线比较强时,红外接收管输出低电平;当透过手指的光线比较弱时,红外接收管输出高电平。而且,红外接收管输出端输出的信号的频率和心跳的频率一样,是一种类似于正弦波的波形。

当脉搏每分钟达四十次时,检测到的信号的频率大约为0.78Hz,当脉搏每分钟达一百二十次时,检测到的频率是3.33Hz,此信号是低频信号。初级采集的信号先通过滤波器滤掉高频,再进入放大电路放大。放大器的功能是将输入信号放大一百倍,而且与其他电路接在一起将信号再次进行滤波。接下来通过整形电路整形成方波,再输出到单片机的中断输如端进行检测、计算等进一步处理。

摔倒检测部分

本设计中ADXL345与单片机之间是通过IO口模拟I2C来进行通信,所以只需要两根线进行连接。单片机通过不停地检测该模块,检测老年人加速度的变化,再结合一些跌倒算法,判断老人是否跌倒。

ADXL345能够检测出三个方向的加速度变化量,能够检测的加速度范围很高,分辨率也能达到很高。通过检测到加速度,还能根据公式算出角度变化量,所以也可以当作角度传感器来使用。它还能检测一些振荡动作以及检测摔倒,并且该传感器还带有中断输出引脚,使用非常方便。ADXL345的灵敏度很高,所以可以应用到一些比较精密的设备上。ADXL345与单片机之间可以通过I2C或者SPI通信,程序简单便捷,上手快,使用简单并且速度快,很具有实用价值。并且ADXL345的功耗非常低,节能省电。

程序流程图

系统操作说明

1)开启电源,看到GSM模块信号灯闪烁,直到信号灯按照亮100ms灭750ms的频率闪烁时表示GSM模块已接入网络;

2)给MP3模块插上一张存有音乐的TF卡,按“播放键”播放音乐,按“左键”和“右键”切换音乐;

3)按“时间键”进入时间修改状态,然后按“上键”,“下键”,“左键”,“右键”修改时间,修改完毕时再按“改时间键退出修改时间界面;

4)按下“脉搏测量键”,脉搏测量指示灯亮,把手指放到红外对管之间,脉搏测量开始,直到听到一声响声,表示脉搏测量完毕,脉搏次数在屏幕上有显示;

5)按下“摔倒检测键”,摔倒检测指示灯亮,摔倒检测功能开启,再按一下,指示灯灭,摔倒检测功能关闭;

6)在主界面,按“上键”拨打电话给固定的电话号码,按“下键”结束通话。

系统总结

整形电路中已把脉搏信号转换成方波信号,用示波器来检测这个方波信号作为对比。以上脉搏测量的数据是在手指没有剧烈抖动、没有其他强烈光源影响的前提下测的。从表格的数据可以看出所测数据基本和示波器所测的数据基本一样,有且只是相差1次左右。虽然没有专业的脉搏测量仪作比较,但在设计中最后脉搏信号输出的地方加了一个LED灯电路,随着脉搏的跳动,LED灯也跟着闪烁,闪烁频率和脉搏跳动一致。所以,排除其他强烈的外界因素外,脉搏测量是比较准的。

跌倒检测实验中,把本设计绑在人的腰间,人向多个方向的下方突然运动来模仿跌倒。程序中跌倒检测是根据加速度的变化量来判断的,从上面表格的数据中可以看出测量值跟真实值也是很相近的,有且只是相差1次左右。所以,本方案检测摔倒比较准确。

PM2.5浓度测试的时候,正常情况下PM2.5的值为40左右。对着传感器喷一口烟,数值会上升,烟的浓度越高,PM2.5的值越高。由于没有一个比较正规的仪器作为比较,所以不敢说本设计所测得的PM2.5数值很准确,但是经过多次试验,本设计测得的值还是比较准确的。

ADXL345介绍

ADXL345是一款小而薄的低功耗3轴加速度计,分辨率高(13位),测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式,可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。

ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度,还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(4 mg/LSB),能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能检测有无运动发生,以及任意轴上的加速度是否超过用户设置的限值。敲击检测功能可以检测单击和双击动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以映射到两个中断输出引脚中的一个。正在申请专利的32级先进先出(FIFO)缓冲器可用于存储数据,最大程度地减少主机处理器的干预。

低功耗模式支持基于运动的智能电源管理,从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。

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发布于 2016 年 11 月 30日
更新于 2016 年 11 月 30日
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