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基于GPS设计老人防摔定位报警系统分析
摘要：本产品以51单片机STC12C5A60S2为核心芯片，利用ADXL345加速度传感器进行摔倒检查，实现来人摔倒后报警，增加老人在跌倒后能及时发现并进行救助的概率；编程中运用基于SVM阈值法的三次判别算法；精准判断老人是否摔倒。设计还使用GPS卫星定位模块；对老人摔倒后进行定位。当产品判断老人为摔倒时。通过单片机相应的程序指令使GSM模块给老人的监护人发去报警信息。同时自身报警鸣响，引起周边路人或司机的注意。
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随着社会人口比例变化，大多数家庭都出现了老人多，年轻人少的情况，老人照顾不到位，老人安全问题成为每个家庭的安全隐患。老年人摔倒现象时有发生，摔倒本身不会出现多大问题，但摔倒后处理不当会造成严重后果。因此实时了解老年人独自上街的行为状态十分重要。本文针对相关问题开展研究，设计出对应跌倒报警器，以51单片机为设计系统核心，包括可以检测出跌倒信号的传感器ADXL345进行跌倒识别，GPS模块VK2828U7G5LF部分实时检查老人位置信息，GSM模块的SIM900能给监护人发去老人摔倒位置信息，使摔倒老人及时得到救助治疗，降低摔倒后的不利后果。
1、线路设计
1.1GSM模块
SIM900A是通过串口发送AT指令来完成控制的，所以我们需要一块多串口的51单片机STC12C5A，检查好电源和接地后，SIM900A的TXD和RXD分别连接到STC12C5A的P3.0和P3.1即可。当ADXL345检查到老人摔倒数据后，通过单片机指令实现老人摔倒后位置信息的发送。
1.2GPS模块
VK2828U7G5LF通过串口通信与单片机进行数据传输，当芯片的PPS指示灯1秒一闪烁绿灯时，它就开始实时定位了，它给单片机传输获得的定位数据，里面有、时间、位置信息等，只要产品开机并且该模块有信号就实时检查老人位置信息。通过STC12C5A60S2对数据处理，让GSM模块把信息发送到指定手机号上。例如多个监护人电话号码、医院急救车电话等。
1.3ADXL345模块
ADXL345是一款三轴、数字化的加速度传感器，它能测X、Y、Z三个方向轴上的对应的速度信号。该模块能够对各种条件下的加速度进行检测。第一步主要通过其自带的感应器检测出加速度信号，然后进行信号转换，转换为可识别的模拟信号，从模拟信号和数字信号的定义可知，模拟量和数字量有着本质的差异。模拟信号具有幅度和时间上连续的特点；而数字量在表达幅度大小的数字域和时间域上均是离散的。当检查到老人摔倒时，通过单片机里的程序指令，让GSM模块发出求救信息，并使蜂鸣器报警。
1.4单片机STC12C5A60S2的功能及最小系统的电路设计
STC12C5A60S2的主要功能有许多，作为核心控制模块可很好通过I/O口对传感器，ADC0832模数转换器，LCD1602液晶显示器进行控制。该单片机是51单片机分支，可兼容51单片机旗下所有单片机。当前流通单片机大多数为CPLD和C51，这两种单片机所针对系统不同。CPLD针对功能复杂多样的系统，所需控制模块较多的系统，性价低。C51单片机所针对的系统功能较简单，所需控制模块较少系统，性价比较高，使用性较强。
该单片机部分引脚功能特点为：PO端口是I/O端口的一种。I/O端口是一个双工接口，有in口和out口。PO端口需要在外部添加一个上拉电阻以改善阻抗。更特殊的P1端口是P1.0和P1.1。这两个定时器可用作微控制器中的定时器。编程时，这个接口接收低8位的地址字符，内部有一个上拉电阻和一个双向输入接口，用于系统编程。P2端口和P1端口之间存在明显差异，当作为输出口时，在连接外部系统是默认作为低电平，此外内部含有一个电阻，此电阻能带动四个低电平，在访问外载寄存器时，输出高8位。
P3口和其他接口还不一样。该接口内部也有电阻，但其在用C语言编程时，一些不被其他接口检测到的控制信号它也能接受。P3口同时具有8位双向I/O接口。一些Flash闪存也可被P3口接收，并接受一些控制信号。
RST端口为重置输入。当振荡器运行工作时，按下复位按钮能复位RST引脚。
ALE/PROG端口可作为地址锁存器或编程脉冲。当ALE/PROG端口作为编程脉冲，工作时要对Flash编程。当ALE/PROG端口用作地址锁存器时，问外部程序存储器或正确访问存储器时，仍然是固定脉冲信号，是时钟振荡周期的6倍。
PSEN是否允许控制程序的存储是其功能,每个运行周期允许两次的时候有效。EA/VPP是允许外部访问的开关。如果CPU要想连接外部存储器，就保持EA低电平。
2、系统分析与调试
本系统设计主要用Keil软件进行C语言编写进而控制单片机进行工作，然后进行程序调试，看是否有异常或错误。要把程序烧录进去,当编写程序时，由于系统本身原因，会出现很多问题。在软件调试过程中有些过程可能太短或延迟太长，如按钮的消抖动过程中时间较短，会导致连续值等，并将在此过程中不断修改。在编写完程序后检查该程序编写是否存在错误，以便为后续硬件调试减少麻烦。该软件可生成一个HEX文件，允许刻录到微控制器，该软件编译、操作都方便简单。
当程序编译成功后，再将程序烧录进去开发板内，进行与硬件电路板对应各种元器件相结合共同工作。最后，当程序烧录结束后，开始进行对各部分元器件工作性能检测，并使用万用表对线路中各部分元器件间连接进行检测，看是否发生某元器件短路。如果没有则开始对硬件部分的主控制板进行检测，观察当对应按键接通时，数码管对应的显示情况。并检验传感器能否根据给出的触发信号，发出相应指令给系统。
最后阶段遇到的问题与相应处理方法：
使用万用表检测线路各部分的连接时发现有一个电阻发生短路，经过观察发现，是在进行焊接时，焊锡使用的太多导致的，最后又使用电烙铁进行加热，并重新进行焊接，之后再用万用表进行检测时发现电路各处连接正常。
在各部分装置都安装焊接完毕后，进行实际运行操作时发现，当供给电源后，小喇叭一直不停发出杂音，经过认真检查，发现对应的三极管的引脚连接出错，经过修改后，其可以正常工作。
报警器在收到人体给出的正确指令时，报警器没有反应，这个问题困扰了我很久，然后经过检查硬件电路各元器件间对应外部连线时发现，发现线路连接都是正确，最后经过对程序重新整理时发现，报警器对应程序编写少编写了声音检测部分。最后通过对该程序添加后，确保各部分都准确无误后，再重新给传感器以正确指令信号，这时报警器发出警报，整个装置都可以成功运行。
3、实物演示
3.1接通电源后各个芯片亮灯
GSM模块的SIM900A开始寻找信号一秒一闪，搜索信号完成变为两秒一闪。GPS模块VK2828U7G5LF背面绿灯闪烁，表明GPS信号定位完成。ADXL345模块灯常亮，表明工作正常。
3.2模拟老人摔倒
首先设置接受号码，通过手机短信指令设置，手机编辑短信PHONESMS:A(A为接收报警预留号码）发送给插在GSM模块上卡的电话号码。接受完成后会反馈“SETEND”表示设置成功。
用板子倾倒来模拟老人摔倒后的状态，当板子倾倒时ADXL345检测到信号，通过单片机代码指令，继电器此时熄合，红色指示灯常亮（图1）。当倾倒15秒以后仍未树立起来后，蜂鸣器开始报警，并且GSM模块发送报警短信到监护人手机上（图2）。
图1模拟老人摔倒
图2手机收到报警短信
3.3模拟老人自行站起
当老人站起来时，报警蜂鸣器报警取消，继电器红灯熄灭，如图3所示GSM模块发送“老人已站起来了，请打电话确认情况”短信到监护人手机上如图4所示。
图3模拟老人站起
图4手机收到站起短信
参考文献：
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期刊名称：导航定位学报
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主管单位：中华人民共和国自然资源部
主办单位：中国测绘科学研究院,中国测绘学会
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：2095-4999
国内刊号：10-1096/P
邮发代号：80-612
创刊时间：1995年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：10-12个月
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2020-11-27
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