CN109920209B - 基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路。本发明包括电源模块、主控模块、人体姿势感应模块、eMTC数据收发模块、串口电压匹配模块、SIM卡读取模块、定位与通信天线模块和语音呼叫电路。电源模块负责给整个电路提供稳定的电源，人体姿势感应模块负责采集当前姿态数据并传输给主控模块，主控模块解析数据并通过SVM阈值判断与欧拉角辅助判断相结合的方式来判断人体姿态是否异常，然后将数据通过串口电压匹配模块传输到eMTC数据收发模块，最终通过无线网络发送至云服务端和监护者客户端。本发明提在功能上兼有数据报警和语音报警功能，在数据传输上具有信号覆盖广、使用功率低等特点。

Description

基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路

技术领域

本发明属于人体跌倒检测与报警传输技术领域，具体涉及一种基于eMTC制式窄带物联网的跌倒检测与远程呼叫求救电路。

背景技术

我国正步入人口老龄化快速发展时期，老年人的正常生活及健康情况已经成为个人家庭、社会家庭都需要重视的一个问题。老年人跌倒并不会直接造成很严重的后果，得不到及时救治成为老年人意外伤害死亡的主要原因。研究表明，每年有30-40％的65周岁以上的老年人至少跌倒一次，老年人跌倒死亡率随着年龄的增大而上升。

目前老年人跌倒检测的方法主要有三种：基于视频图像检测的方法、基于音频或无线电等环境信号检测的方法、基于佩戴式传感器检测的方法。基于视频图像的方法利用了摄像头获取的图像进行人体轮廓信息处理和判断，基于音频或无线电等环境信号检测的方法利用人体遮挡引起无线射频信号衰减的特点来检测跌倒，基于佩戴式传感器检测的方法通过压力、姿态等检测实现跌倒判断。虽然通过视频、声学、姿态传感器都可检测到跌倒行为的发生，但是视频检测方式只有在装有摄像头的环境中才能工作，一般室外环境无法保证摄像头监控的全覆盖，而且受光纤、环境的影响较大；声学检测方式容易受环境干扰，识别不准确，无法获得很高的精度；压力、姿态等传感器可以佩戴在被监护者身上，不易受外界干扰，而且成本低，检测范围大，不容易受周围环境的影响。因此，本发明采用了人体姿态检测传感器作为被监护对象的跌倒信号来源。

传统的蓝牙、WiFi、ZigBee等无线数据传输方式的工作范围受限制，不适合户外实时监测，而覆盖性较广的无线GPRS功耗与资费都较高。窄带物联网技术是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，非常适合能源受限的便携式环境使用。为了传输求救语音数据而非简单的数值信息，本发明采用了eMTC制式的窄带物联网，eMTC制式具有移动性好、定位精度高、成本低、可以直接接入现有的LTE网络等特点，可以满足无线窄带宽条件下的双向语音+数据传输。

发明内容

本发明的目的在于提拱一种基于eMTC窄带物联网通信的人体跌倒检测与远程呼叫求救电路。该电路可以实时检测运动人体的姿态信息，并将跌倒信息和求救语音通过eMTC窄带物联网发送至云服务器和用户终端设备。

本发明提出的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路主要包括电源模块、主控模块、人体姿势感应模块、eMTC数据收发模块、串口电压匹配模块、SIM卡读取模块、定位与通信天线模块和语音呼叫电路。

所述的电源模块包括电平转换芯片U13、电源输出接口P8、电源地接口P9、电源输入接口P10、第一限流电阻R37、第二限流电阻R38、第一电压设置电阻R36、第二电压设置电阻R39、第一低频滤波电解电容C50、第二低频滤波电解电容C51、第三低频滤波电解电容C52、第一高频滤波电容C54、电感L3、电源指示灯D6；电源输出接口P8的1脚、电源输出接口P8的2脚、第二限流电阻R38的一端、第二低频滤波电解电容C51的一端、第一低频滤波电解电容C50的一端、第一电压设置电阻R36的一端和电平转换芯片U13的1脚连接；电源地接口P9的1脚、电源地接口P9的2脚、电源指示灯D6的一端、第二低频滤波电解电容C51的另一端、第一低频滤波电解电容C50的另一端、第二电压设置电阻R39的一端、电平转换芯片U13的3脚、电平转换芯片U13的9脚、第一高频滤波电容C54的一端和第三低频滤波电解电容C52的一端均接地；电源输入接口P10的1脚、电源输入接口P10的2脚、第三低频滤波电解电容C52的另一端、第一限流电阻R37的一端和电平转换芯片U13的5脚连接；第一限流电阻R37的另一端、电平转换芯片U13的6脚、电平转换芯片U13的7脚、电平转换芯片U13的8脚和第一高频滤波电容C54的另一端连接；第二限流电阻R38的另一端和电源指示灯D6的另一端连接；第一电压设置电阻R36的另一端、第二电压设置电阻R39的另一端和电平转换芯片U13的10脚连接；电源输出接口P8为电源正极输出VBAT，电源地接口P9为电源地输出。

所述的主控模块包括主控芯片U9、第一晶振Y1、第二晶振Y2、第一起振电容C15、第二起振电容C16、第三起振电容C18、第四起振电容C21；主控芯片U9的3脚、第一晶振Y1的一端和第一起振电容C15的一端连接；主控芯片U9的4脚、第一晶振Y1的另一端和第二起振电容C16的一端连接；主控芯片U9的5脚、第二晶振Y2的一端和第三起振电容C18的一端连接；主控芯片U9的6脚、第二晶振Y2的另一端和第四起振电容C21的一端连接；主控芯片U9的1脚、主控芯片U9的24脚、主控芯片U9的36脚、主控芯片U9的48脚、主控芯片U9的9脚和电源正极连接；主控芯片U9的23脚、主控芯片U9的35脚、主控芯片U9的47脚、主控芯片U9的8脚和电源地连接；第一起振电容C15的另一端、第二起振电容C16的另一端和电源地连接；第三起振电容C18的另一端、第四起振电容C21的另一端和电源地连接。

所述的人体姿势感应模块包括运动处理芯片U6、第四低频滤波电解电容C22、第二高频滤波电容C20、第三高频滤波电容C2；运动处理芯片U6的8脚、运动处理芯片U6的13脚、第二高频滤波电容C20的一端和电源正极连接；运动处理芯片U6的18脚、运动处理芯片U6的1脚、运动处理芯片U6的11脚、第二高频滤波电容C20的另一端和电源地连接；运动处理芯片U6的10脚和第三高频滤波电容C2的一端连接；运动处理芯片U6的20脚和第四低频滤波电解电容C22的一端连接；第四低频滤波电解电容C22的另一端、C22的另一端和电源地连接；运动处理芯片U6的23脚和主控芯片U9的45脚连接；运动处理芯片U6的24脚和主控芯片U9的46脚连接。

所述的eMTC数据收发模块包括数据收发核心芯片U16、第三限流电阻R21、第五低频滤波电解电容C28、第四高频滤波电容C29；数据收发核心芯片U16的6脚和第三限流电阻R21的一端连接；数据收发核心芯片U16的15脚和第五低频滤波电解电容C28的一端连接；数据收发核心芯片U16的16脚和第四高频滤波电容C29的一端连接；数据收发核心芯片U16的55脚、数据收发核心芯片U16的56脚、数据收发核心芯片U16的57脚和电源正极连接；数据收发核心芯片U16的1脚、数据收发核心芯片U16的2脚、数据收发核心芯片U16的17脚、数据收发核心芯片U16的29脚、数据收发核心芯片U16的39脚、数据收发核心芯片U16的45脚、数据收发核心芯片U160的46脚、数据收发核心芯片U16的54脚、数据收发核心芯片U16的58脚、数据收发核心芯片U16的59脚、数据收发核心芯片U16的60脚、数据收发核心芯片U16的61脚、数据收发核心芯片U16的62脚、数据收发核心芯片U16的63脚、数据收发核心芯片U16的64脚、数据收发核心芯片U16的65脚、第五低频滤波电解电容C28的另一端、第四高频滤波电容C29的另一端和电源地连接。

所述的串口电压匹配模块包括第一电压转换芯片U7、第二电压转换芯片U10、第五高频滤波电容C24、第六高频滤波电容C26、第七高频滤波电容C30、第八高频滤波电容C31；第一电压转换芯片U7的6脚、第一电压转换芯片U7的3脚和第五高频滤波电容C24的一端连接；第一电压转换芯片U7的7脚、第六高频滤波电容C26的一端和电源正极连接；第一电压转换芯片U7的2脚、第六高频滤波电容C26的另一端、第五高频滤波电容C24的另一端和电源地连接；第二电压转换芯片U10的6脚、第二电压转换芯片U10的3脚和第七高频滤波电容C30的一端连接；第二电压转换芯片U10的7脚、第八高频滤波电容C31的一端和电源正极连接；第二电压转换芯片U7的2脚、第八高频滤波电容C31的另一端、第七高频滤波电容C30的另一端和电源地连接；第一电压转换芯片U7的5脚和数据收发核心芯片U16的9脚连接；第一电压转换芯片U7的4脚和数据收发核心芯片U16的10脚连接；第二电压转换芯片U10的5脚和数据收发核心芯片U16的50脚连接；第一电压转换芯片U7的4脚和数据收发核心芯片U16的49脚连接；第一电压转换芯片U7的1脚和主控芯片U9的21脚连接；第一电压转换芯片U7的8脚和主控芯片U9的22脚连接。

所述的SIM卡读取模块包括SIM卡座U11、第九高频滤波电容C42、第十高频滤波电容C36、第十一高频滤波电容C37、第八高频滤波电容C38；SIM卡座U11的1脚、第九高频滤波电容C42的一端、第十高频滤波电容C36的一端、第十一高频滤波电容C37的一端和第八高频滤波电容C38的一端连接；SIM卡座U11的2脚和第十高频滤波电容C36的另一端连接；SIM卡座U11的3脚和第八高频滤波电容C38的另一端连接；SIM卡座U11的4脚和第九高频滤波电容C42的另一端和电源地连接；SIM卡座U11的6脚和第十一高频滤波电容C37的另一端连接；SIM卡座U11的1脚和数据收发核心芯片U16的30脚连接；SIM卡座U11的2脚和数据收发核心芯片U16的33脚连接；SIM卡座U11的3脚和数据收发核心芯片U16的32脚连接；SIM卡座U11的6脚和数据收发核心芯片U16的31脚连接。

所述的定位与通信天线模块定位天线部分包括低噪声放大器U12、滤波器U14、第一匹配电阻R34、第二匹配电阻R35、第三匹配电阻R40、第一匹配电容C44、第二匹配电容C49、第三匹配电容C48、第四匹配电容C53、第一匹配电感L5、第二匹配电感L6、第三匹配电感L7、第四匹配电感L4、卫星天线底座J5；低噪声放大器U12的1脚、低噪声放大器U12的2脚、第一匹配电容C44的一端、第二匹配电感L6的一端、第三匹配电感L7的一端、滤波器U14的2脚、滤波器U14的3脚、滤波器U14的5脚、第四匹配电容C53的一端、卫星天线底座J5的2脚、卫星天线底座J5的3脚、卫星天线底座J5的4脚、卫星天线底座J5的5脚和电源地连接；低噪声放大器U12的3脚和第一匹配电感L5的一端连接；低噪声放大器U12的4脚、第三匹配电感L7的另一端和第二匹配电容C49的一端；低噪声放大器U12的5脚、低噪声放大器U12的6脚、第一匹配电容C44的另一端和第一匹配电阻R34的一端连接；滤波器U14的1脚、第三匹配电容C48的一端和第二匹配电感L6的另一端连接；滤波器U14的4脚和第一匹配电感L5的另一端连接；第三匹配电容C48的另一端、第四匹配电感L4的一端和第三匹配电阻R40的一端连接；第四匹配电感L4的另一端、第二匹配电阻R35的一端和第四匹配电容C53的另一端连接；第三匹配电阻R40的另一端和卫星天线底座J5的1脚连接。

所述的定位与通信天线模块通信天线部分包括第五匹配电容C32、第六匹配电容C33、第四匹配电阻R24、第五匹配电阻R25、第六匹配电阻R30、数据天线小底座J1、数据天线大底座J3；第五匹配电容C32的一端和第四匹配电阻R24连接；第五匹配电容C32的另一端、第六匹配电容C33的一端、数据天线小底座J1的1脚、数据天线小底座J1的3脚、数据天线大底座J3的2脚、数据天线大底座J3的3脚、数据天线大底座J3的4脚、数据天线大底座J3的5脚和电源地连接；第六匹配电容C33的另一端、第五匹配电阻R25的一端、第四匹配电阻R24的另一端和第六匹配电阻R30的一端连接；第五匹配电阻R25的另一端和数据天线小底座J1的2脚连接；第六匹配电阻R30的另一端和数据天线大底座J3的1脚。

所述的语音呼叫电路包括音频编解码芯片U1、麦克MIC、喇叭SPK、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3、C4。音频编解码芯片U1的第2、4、17引脚与电源正极输出VBAT相连，第3、5引脚与。音频编解码芯片U1的第13引脚与电容C3的一端相连，C3的另一端与喇叭SPK的一端相连，喇叭SPK的另一端与电容C4相连，C4的另一端接地。音频编解码芯片U1的第20引脚与电容C1的一端相连，C1的另一端接麦克MIC的一端相连，MIC的麦克该端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与音频编解码芯片U1的第1引脚相连。音频编解码芯片U1的第19引脚与电容C2的一端相连，C2的另一端接接麦克MIC的另一端；音频编解码芯片U1的6、7、8、9、10、11、12引脚分别与数据收发核心芯片U16SIM7000的14、15、12、11、38、37相连。

在本发明的跌倒检测方法中依靠实时采集体佩传感器数据，将之用于检测用户的行为特征，采用SVM阈值判断法与欧拉角辅助判断相结合的方法进行跌倒行为判断。

本发明中电平转换芯片U13采用的型号为TI公司的TPS63000高效率升降压转换器，主控芯片U9、主控芯片U9采用ST公司的STM32L151C8T6芯片，运动处理芯片U6采用Invensense公司的6轴运动处理传感器MPU6050芯片，数据收发核心芯片U16采用SIMCOM公司的SIM7000芯片，第一电压转换芯片U7、第二电压转换芯片U10均采用TXB0102DCUR芯片，音频编解码芯片U1采用Nuvoton公司的NAU8810芯片，低噪声放大器U12、滤波器U14分别采用是恩智浦半导体公司的BGU7005芯片和SAFEA1G58KA0F00芯片，其他部件均采用成熟的电子元器件。

相对比背景技术，本发明提出的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路在功能上兼有数据报警和语音报警功能，在数据传输上具有信号覆盖广、使用功率低等特点，对应用场合的约束性较低，具有广大的使用范围。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的电源模块原理图；

图3为本发明的主控模块原理图；

图4为本发明的人体姿势感应模块原理图；

图5为本发明的eMTC数据收发模块原理图；

图6为本发明的串口电压匹配模块原理图；

图7为本发明的SIM卡读取模块原理图；

图8为本发明的定位与通信天线模块原理图；

图9为本发明的语音呼叫电路原理图；

图10为本发明的异常跌倒检测方法流程。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路包括电源模块2、主控模块3、人体姿势感应模块4、eMTC数据收发模块5、串口电压匹配模块6、SIM卡读取模块7、定位与通信天线模块8、语音呼叫电路9。电源模块负责给整个系统提供稳定的电源，人体姿势感应模块负责采集当前姿态数据并传输给主控模块，主控模块解析数据并判断人体姿态是否异常，并将数据通过串口电压匹配模块传输到eMTC数据收发模块，最终通过无线网络发送至云服务端和监护者客户端。电源模块的输入接口与3.7V电池相连，输出接口与主控模块、人体姿势感应模块、eMTC数据收发模块、串口电压匹配模块、定位与通信天线模块相连。主控模块通过串口、I2C接口分别与eMTC数据收发模块和人体姿势感应模块相连。eMTC数据收发模块通过SIM卡接口、天线接口、串口调试接口、I2S+I2C接口分别与SIM卡读取模块、定位与通信天线模块、串口电压匹配模块、语音呼叫电相连。

如图2所示，电源模块2包括电平转换芯片U13、电源输出接口P8、电源地接口P9、电源输入接口P10、第一限流电阻R37、第二限流电阻R38、第一电压设置电阻R36、第二电压设置电阻R39、第一低频滤波电解电容C50、第二低频滤波电解电容C51、第三低频滤波电解电容C52、第一高频滤波电容C54、电感L3、电源指示灯D6；电平转换芯片U13采用的型号为TI公司的TPS63000高效率升降压转换器。电源输出接口P8的1脚、电源输出接口P8的2脚、第二限流电阻R38的一端、第二低频滤波电解电容C51的一端、第一低频滤波电解电容C50的一端、第一电压设置电阻R36的一端和电平转换芯片U13的1脚连接；电源地接口P9的1脚、电源地接口P9的2脚、电源指示灯D6的负极、第二低频滤波电解电容C51的另一端、第一低频滤波电解电容C50的另一端、第二电压设置电阻R39的一端、电平转换芯片U13的3脚、电平转换芯片U13的9脚、第一高频滤波电容C54的一端和第三低频滤波电解电容C52的一端均接地GND；电源输入接口P10的1脚、电源输入接口P10的2脚、第三低频滤波电解电容C52的另一端、第一限流电阻R37的一端和电平转换芯片U13的5脚连接；第一限流电阻R37的另一端、电平转换芯片U13的6脚、电平转换芯片U13的7脚、电平转换芯片U13的8脚和第一高频滤波电容C54的另一端连接；第二限流电阻R38的另一端和电源指示灯D6的正极连接；第一电压设置电阻R36的另一端、第二电压设置电阻R39的另一端和电平转换芯片U13的10脚连接；电平转换芯片U13的1脚为电源电路的3.45V输出端VBAT。

如图3所示，主控模块3包括主控芯片U9、主控芯片U9、第一晶振Y1、第二晶振Y2、第一起振电容C15、第二起振电容C16、第三起振电容C18、第四起振电容C21；主控芯片U9、主控芯片U9采用的型号为STM32L151C8T6芯片。主控芯片U9的3脚、第一晶振Y1的一端和第一起振电容C15的一端连接；主控芯片U9的4脚、第一晶振Y1的另一端和第二起振电容C16的一端连接；主控芯片U9的5脚、第二晶振Y2的一端和第三起振电容C18的一端连接；主控芯片U9的6脚、第二晶振Y2的另一端和第四起振电容C21的一端连接；主控芯片U9的1脚、主控芯片U9的24脚、主控芯片U9的36脚、主控芯片U9的48脚、主控芯片U9的9脚和电源正极VBAT连接；主控芯片U9的23脚、主控芯片U9的35脚、主控芯片U9的47脚、主控芯片U9的8脚和电源地连接；第一起振电容C15的另一端、第二起振电容C16的另一端和电源地连接；第三起振电容C18的另一端、第四起振电容C21的另一端和电源地GND连接。

如图4所示，人体姿势感应模块4包括运动处理芯片U6、第四低频滤波电解电容C22、第二高频滤波电容C20、第三高频滤波电容C2；运动处理芯片U6采用的型号为MPU6050的9轴运动处理传感器。运动处理芯片U6的8脚、运动处理芯片U6的13脚、第二高频滤波电容C20的一端和电源正极VBAT连接；运动处理芯片U6的18脚、运动处理芯片U6的1脚、运动处理芯片U6的11脚、第二高频滤波电容C20的另一端和电源地GND连接；运动处理芯片U6的10脚和第三高频滤波电容C2的一端连接；运动处理芯片U6的20脚和第四低频滤波电解电容C22的一端连接；第四低频滤波电解电容C22的另一端、C22的另一端和电源地GND连接；运动处理芯片U6的23脚SCL和主控芯片U9的45脚SCL连接；运动处理芯片U6的24脚SDA和主控芯片U9的46脚SDA连接。

如图5所示，eMTC数据收发模块5包括数据收发核心芯片U16、第三限流电阻R21、第五低频滤波电解电容C28、第四高频滤波电容C29；数据收发核心芯片U16采用SIM7000芯片。数据收发核心芯片U16的6脚和第三限流电阻R21的一端连接；数据收发核心芯片U16的15脚和第五低频滤波电解电容C28的一端连接；数据收发核心芯片U16的16脚和第四高频滤波电容C29的一端连接；数据收发核心芯片U16的55脚、数据收发核心芯片U16的56脚、数据收发核心芯片U16的57脚和电源正极VBAT连接；数据收发核心芯片U16的1脚、数据收发核心芯片U16的2脚、数据收发核心芯片U16的17脚、数据收发核心芯片U16的29脚、数据收发核心芯片U16的39脚、数据收发核心芯片U16的45脚、数据收发核心芯片U16的46脚、数据收发核心芯片U16的54脚、数据收发核心芯片U16的58脚、数据收发核心芯片U16的59脚、数据收发核心芯片U16的60脚、数据收发核心芯片U16的61脚、数据收发核心芯片U16的62脚、数据收发核心芯片U16的63脚、数据收发核心芯片U16的64脚、数据收发核心芯片U16的65脚、第五低频滤波电解电容C28的另一端、第四高频滤波电容C29的另一端和电源地GND连接。

如图6所示，串口电压匹配模块6包括第一电压转换芯片U7、第二电压转换芯片U10、第五高频滤波电容C24、第六高频滤波电容C26、第七高频滤波电容C30、第八高频滤波电容C31；第一电压转换芯片U7、第二电压转换芯片U10均采用TXB0102DCUR芯片。第一电压转换芯片U7的6脚、第一电压转换芯片U7的3脚、数据收发核心芯片U16的15脚和第五高频滤波电容C24的一端连接；第一电压转换芯片U7的7脚、第六高频滤波电容C26的一端和电源正极VBAT连接；第一电压转换芯片U7的2脚、第六高频滤波电容C26的另一端、第五高频滤波电容C24的另一端和电源地GND连接；第二电压转换芯片U10的6脚、第二电压转换芯片U10的3脚、数据收发核心芯片U16的15脚和第七高频滤波电容C30的一端连接；第二电压转换芯片U10的7脚、第八高频滤波电容C31的一端和电源正极VBAT连接；第二电压转换芯片U7的2脚、第八高频滤波电容C31的另一端、第七高频滤波电容C30的另一端和电源地GND连接；第一电压转换芯片U7的5脚TXD和数据收发核心芯片U16的9脚TXD连接；第一电压转换芯片U7的4脚RXD和数据收发核心芯片U16的10脚RXD连接；第二电压转换芯片U10的5脚TXD和数据收发核心芯片U16的50脚TXD连接；第一电压转换芯片U10的4脚RXD和数据收发核心芯片U16的49脚RXD连接；第一电压转换芯片U7的1脚TXD和主控芯片U9的21脚TXD连接；第一电压转换芯片U7的8脚RXD和主控芯片U9的22脚RXD连接。

如图7所示，SIM卡读取模块7包括SIM卡座U11、第九高频滤波电容C42、第十高频滤波电容C36、第十一高频滤波电容C37、第八高频滤波电容C38；SIM卡座U11的1脚、第九高频滤波电容C42的一端、第十高频滤波电容C36的一端、第十一高频滤波电容C37的一端和第八高频滤波电容C38的一端连接；SIM卡座U11的2脚和第十高频滤波电容C36的另一端连接；SIM卡座U11的3脚和第八高频滤波电容C38的另一端连接；SIM卡座U11的4脚和第九高频滤波电容C42的另一端和电源地GND连接；SIM卡座U11的6脚和第十一高频滤波电容C37的另一端连接；SIM卡座U11的1脚VDD和数据收发核心芯片U16的30脚VDD连接；SIM卡座U11的2脚RST和数据收发核心芯片U16的33脚RST连接；SIM卡座U11的3脚CLK和数据收发核心芯片U16的32脚CLK连接；SIM卡座U11的6脚DATA和数据收发核心芯片U16的31脚DATA连接。

如图8所示，所述的定位与通信天线模块8定位天线部分包括低噪声放大器U12、滤波器U14、第一匹配电阻R34、第二匹配电阻R35、第三匹配电阻R40、第一匹配电容C44、第二匹配电容C49、第三匹配电容C48、第四匹配电容C53、第一匹配电感L5、第二匹配电感L6、第三匹配电感L7、第四匹配电感L4、卫星天线底座J5；低噪声放大器U12采用的是恩智浦半导体公司的BGU7005芯片。滤波器采用SAFEA1G58KA0F00芯片。低噪声放大器U12的1脚、低噪声放大器U12的2脚、第一匹配电容C44的一端、第二匹配电感L6的一端、第三匹配电感L7的一端、滤波器U14的2脚、滤波器U14的3脚、滤波器U14的5脚、第四匹配电容C53的一端、卫星天线底座J5的2脚、卫星天线底座J5的3脚、卫星天线底座J5的4脚、卫星天线底座J5的5脚和电源地GND连接；低噪声放大器U12的3脚和第一匹配电感L5的一端连接；低噪声放大器U12的4脚、第三匹配电感L7的另一端和第二匹配电容C49的一端；低噪声放大器U12的5脚、低噪声放大器U12的6脚、第一匹配电容C44的另一端和第一匹配电阻R34的一端连接；滤波器U14的1脚、第三匹配电容C48的一端和第二匹配电感L6的另一端连接；滤波器U14的4脚和第一匹配电感L5的另一端连接；第三匹配电容C48的另一端、第四匹配电感L4的一端和第三匹配电阻R40的一端连接；第四匹配电感L4的另一端、第二匹配电阻R35的一端和第四匹配电容C53的另一端连接；第三匹配电阻R40的另一端和卫星天线底座J5的1脚连接；R35的另一端与电源正极VBAT连接；第一匹配电阻R34的另一端和数据收发核心芯片U16的15脚连接；第二匹配电容C49的另一端和数据收发核心芯片U16的53脚相连。

如图8所示，所述的定位与通信天线模块8通信天线部分包括第五匹配电容C32、第六匹配电容C33、第四匹配电阻R24、第五匹配电阻R25、第六匹配电阻R30、数据天线小底座J1、数据天线大底座J3；第五匹配电容C32的一端、数据收发核心芯片U16的60脚和第四匹配电阻R24连接；第五匹配电容C32的另一端、第六匹配电容C33的一端、数据天线小底座J1的1脚、数据天线小底座J1的3脚、数据天线大底座J3的2脚、数据天线大底座J3的3脚、数据天线大底座J3的4脚、数据天线大底座J3的5脚和电源地GND连接；第六匹配电容C33的另一端、第五匹配电阻R25的一端、第四匹配电阻R24的另一端和第六匹配电阻R30的一端连接；第五匹配电阻R25的另一端和数据天线小底座J1的2脚连接；第六匹配电阻R30的另一端和数据天线大底座J3的1脚。

如图9所示，所述的语音呼叫电路包括音频编解码芯片U1、麦克MIC、喇叭SPK、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3、C4。音频编解码芯片U1的第2、4、17引脚与电源正极输出VBAT相连，第3、5引脚与电源地相连，提供音频编解码芯片U1正常供电。音频编解码芯片U1的第13引脚与电容C3的一端相连，C3的另一端与喇叭SPK的一端相连，喇叭SPK的另一端与电容C4相连，C4的另一端接地。音频编解码芯片U1的第20引脚与电容C1的一端相连，C1的另一端接麦克MIC的一端相连，MIC的麦克该端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与音频编解码芯片U1的第1引脚相连。音频编解码芯片U1的第19引脚与电容C2的一端相连，C2的另一端接接麦克MIC的另一端；音频编解码芯片U1的6、7、8、9、10、11、12引脚分别与数据收发核心芯片U16SIM7000的14、15、12、11、38、37相连，与SIM7000芯片之间通过I2S和I2C接口实现语音数据与控制数据的交互。

本发明所涉及的异常跌倒检测方法流程如图10所示，主要指标是变异指数CV与合角速度ω，其中CV由下式定义：

x_i为SVM的值，变异指数CV为SVM的均值和标准方差比值，体现的是SVM的离散程度，当人正常活动时，CV值较小，而当人剧烈运动或跌倒时，CV值会增大。CV值的引入是为了过滤持续性剧烈运动。

角速度ω表示人体运动过程中pitch角与roll角的变化快慢，由下式定义：

由于人体日常活动的频率不会超过20Hz，故取采样频率为20Hz。当SVM与CV均超出阈值并且ω持续变化判断发生跌倒。

本发明提出的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路在功能上具有一定的先进性与创新性，功能完善，成本较低，适用场合多，因此具有广大的市场推广应用前景。

Claims (6)

1.基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路，包括电源模块、主控模块、人体姿势感应模块、eMTC数据收发模块、串口电压匹配模块、SIM卡读取模块、定位与通信天线模块和语音呼叫电路，其特征在于：

电源模块负责给整个电路提供稳定的电源，人体姿势感应模块负责采集当前姿态数据并传输给主控模块，主控模块解析数据并通过SVM阈值判断与欧拉角辅助判断相结合的方式来判断人体姿态是否异常，然后将数据通过串口电压匹配模块传输到eMTC数据收发模块，最终通过无线网络发送至云服务端和监护者客户端；

所述的电源模块的输入接口与3.7V电池相连，输出接口与主控模块、人体姿势感应模块、eMTC数据收发模块、串口电压匹配模块、定位与通信天线模块相连；主控模块通过串口与eMTC数据收发模块相连；主控模块通过I2C接口与人体姿势感应模块相连；

所述的eMTC数据收发模块通过SIM卡接口与SIM卡读取模块相连、eMTC数据收发模块通过天线接口与定位与通信天线模块相连、eMTC数据收发模块通过串口调试接口与串口电压匹配模块相连、eMTC数据收发模块通过I2S与I2C接口与语音呼叫电相连；

所述的主控模块包括主控芯片U9、第一晶振Y1、第二晶振Y2、第一起振电容C15、第二起振电容C16、第三起振电容C18、第四起振电容C21；主控芯片U9的3脚、第一晶振Y1的一端和第一起振电容C15的一端连接；主控芯片U9的4脚、第一晶振Y1的另一端和第二起振电容C16的一端连接；主控芯片U9的5脚、第二晶振Y2的一端和第三起振电容C18的一端连接；主控芯片U9的6脚、第二晶振Y2的另一端和第四起振电容C21的一端连接；主控芯片U9的1脚、主控芯片U9的24脚、主控芯片U9的36脚、主控芯片U9的48脚、主控芯片U9的9脚和电源正极连接；主控芯片U9的23脚、主控芯片U9的35脚、主控芯片U9的47脚、主控芯片U9的8脚和电源地连接；第一起振电容C15的另一端、第二起振电容C16的另一端和电源地连接；第三起振电容C18的另一端、第四起振电容C21的另一端和电源地连接，主控芯片U9采用ST公司的STM32L151C8T6芯片；

所述的eMTC数据收发模块包括数据收发核心芯片U16、第三限流电阻R21、第五低频滤波电解电容C28、第四高频滤波电容C29；数据收发核心芯片U16的6脚和第三限流电阻R21的一端连接；数据收发核心芯片U16的15脚和第五低频滤波电解电容C28的一端连接；数据收发核心芯片U16的16脚和第四高频滤波电容C29的一端连接；数据收发核心芯片U16的55脚、数据收发核心芯片U16的56脚、数据收发核心芯片U16的57脚和电源正极连接；数据收发核心芯片U16的1脚、数据收发核心芯片U16的2脚、数据收发核心芯片U16的17脚、数据收发核心芯片U16的29脚、数据收发核心芯片U16的39脚、数据收发核心芯片U16的45脚、数据收发核心芯片U16的46脚、数据收发核心芯片U16的54脚、数据收发核心芯片U16的58脚、数据收发核心芯片U16的59脚、数据收发核心芯片U16的60脚、数据收发核心芯片U16的61脚、数据收发核心芯片U16的62脚、数据收发核心芯片U16的63脚、数据收发核心芯片U16的64脚、数据收发核心芯片U16的65脚、第五低频滤波电解电容C28的另一端、第四高频滤波电容C29的另一端和电源地连接，数据收发核心芯片U16采用SIMCOM公司的SIM7000芯片；

所述的定位与通信天线模块定位天线部分包括低噪声放大器U12、滤波器U14、第一匹配电阻R34、第二匹配电阻R35、第三匹配电阻R40、第一匹配电容C44、第二匹配电容C49、第三匹配电容C48、第四匹配电容C53、第一匹配电感L5、第二匹配电感L6、第三匹配电感L7、第四匹配电感L4、卫星天线底座J5；低噪声放大器U12的1脚、低噪声放大器U12的2脚、第一匹配电容C44的一端、第二匹配电感L6的一端、第三匹配电感L7的一端、滤波器U14的2脚、滤波器U14的3脚、滤波器U14的5脚、第四匹配电容C53的一端、卫星天线底座J5的2脚、卫星天线底座J5的3脚、卫星天线底座J5的4脚、卫星天线底座J5的5脚和电源地连接；低噪声放大器U12的3脚和第一匹配电感L5的一端连接；低噪声放大器U12的4脚、第三匹配电感L7的另一端和第二匹配电容C49的一端；低噪声放大器U12的5脚、低噪声放大器U12的6脚、第一匹配电容C44的另一端和第一匹配电阻R34的一端连接；滤波器U14的1脚、第三匹配电容C48的一端和第二匹配电感L6的另一端连接；滤波器U14的4脚和第一匹配电感L5的另一端连接；第三匹配电容C48的另一端、第四匹配电感L4的一端和第三匹配电阻R40的一端连接；第四匹配电感L4的另一端、第二匹配电阻R35的一端和第四匹配电容C53的另一端连接；第三匹配电阻R40的另一端和卫星天线底座J5的1脚连接，低噪声放大器U12采用恩智浦半导体公司的BGU7005芯片，滤波器U14采用恩智浦半导体公司的SAFEA1G58KA0F00芯片；

所述的定位与通信天线模块通信天线部分包括第五匹配电容C32、第六匹配电容C33、第四匹配电阻R24、第五匹配电阻R25、第六匹配电阻R30、数据天线小底座J1、数据天线大底座J3；第五匹配电容C32的一端和第四匹配电阻R24连接；第五匹配电容C32的另一端、第六匹配电容C33的一端、数据天线小底座J1的1脚、数据天线小底座J1的3脚、数据天线大底座J3的2脚、数据天线大底座J3的3脚、数据天线大底座J3的4脚、数据天线大底座J3的5脚和电源地连接；第六匹配电容C33的另一端、第五匹配电阻R25的一端、第四匹配电阻R24的另一端和第六匹配电阻R30的一端连接；第五匹配电阻R25的另一端和数据天线小底座J1的2脚连接；第六匹配电阻R30的另一端和数据天线大底座J3的1脚；

所述的语音呼叫电路包括音频编解码芯片U1、麦克MIC、喇叭SPK、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3、C4；音频编解码芯片U1的第2、4、17引脚与电源正极输出VBAT相连，第3、5引脚与；音频编解码芯片U1的第13引脚与电容C3的一端相连，C3的另一端与喇叭SPK的一端相连，喇叭SPK的另一端与电容C4相连，C4的另一端接地；音频编解码芯片U1的第20引脚与电容C1的一端相连，C1的另一端接麦克MIC的一端相连，MIC的麦克该端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与音频编解码芯片U1的第1引脚相连；音频编解码芯片U1的第19引脚与电容C2的一端相连，C2的另一端连接麦克MIC的另一端；音频编解码芯片U1的6、7、8、9、10、11、12引脚分别与数据收发核心芯片U16的14、15、12、11、38、37相连，音频编解码芯片U1采用Nuvoton公司的NAU8810芯片。

2.根据权利要求1所述的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路，其特征在于：

所述的电源模块包括电平转换芯片U13、电源输出接口P8、电源地接口P9、电源输入接口P10、第一限流电阻R37、第二限流电阻R38、第一电压设置电阻R36、第二电压设置电阻R39、第一低频滤波电解电容C50、第二低频滤波电解电容C51、第三低频滤波电解电容C52、第一高频滤波电容C54、电感L3、电源指示灯D6；电源输出接口P8的1脚、电源输出接口P8的2脚、第二限流电阻R38的一端、第二低频滤波电解电容C51的一端、第一低频滤波电解电容C50的一端、第一电压设置电阻R36的一端和电平转换芯片U13的1脚连接；电源地接口P9的1脚、电源地接口P9的2脚、电源指示灯D6的一端、第二低频滤波电解电容C51的另一端、第一低频滤波电解电容C50的另一端、第二电压设置电阻R39的一端、电平转换芯片U13的3脚、电平转换芯片U13的9脚、第一高频滤波电容C54的一端和第三低频滤波电解电容C52的一端均接地；电源输入接口P10的1脚、电源输入接口P10的2脚、第三低频滤波电解电容C52的另一端、第一限流电阻R37的一端和电平转换芯片U13的5脚连接；第一限流电阻R37的另一端、电平转换芯片U13的6脚、电平转换芯片U13的7脚、电平转换芯片U13的8脚和第一高频滤波电容C54的另一端连接；第二限流电阻R38的另一端和电源指示灯D6的另一端连接；第一电压设置电阻R36的另一端、第二电压设置电阻R39的另一端和电平转换芯片U13的10脚连接；电源输出接口P8为电源正极输出VBAT，电源地接口P9为电源地输出，电平转换芯片U13采用的型号为TI公司的TPS63000高效率升降压转换器。

3.根据权利要求1所述的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路，其特征在于：

所述的人体姿势感应模块包括运动处理芯片U6、第四低频滤波电解电容C22、第二高频滤波电容C20、第三高频滤波电容C2；运动处理芯片U6的8脚、运动处理芯片U6的13脚、第二高频滤波电容C20的一端和电源正极连接；运动处理芯片U6的18脚、运动处理芯片U6的1脚、运动处理芯片U6的11脚、第二高频滤波电容C20的另一端和电源地连接；运动处理芯片U6的10脚和第三高频滤波电容C2的一端连接；运动处理芯片U6的20脚和第四低频滤波电解电容C22的一端连接；第四低频滤波电解电容C22的另一端、C22的另一端和电源地连接；运动处理芯片U6的23脚和主控芯片U9的45脚连接；运动处理芯片U6的24脚和主控芯片U9的46脚连接，运动处理芯片U6采用Invensense公司的6轴运动处理传感器MPU6050芯片。

4.根据权利要求1所述的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路，其特征在于：

所述的串口电压匹配模块包括第一电压转换芯片U7、第二电压转换芯片U10、第五高频滤波电容C24、第六高频滤波电容C26、第七高频滤波电容C30、第八高频滤波电容C31；第一电压转换芯片U7的6脚、第一电压转换芯片U7的3脚和第五高频滤波电容C24的一端连接；第一电压转换芯片U7的7脚、第六高频滤波电容C26的一端和电源正极连接；第一电压转换芯片U7的2脚、第六高频滤波电容C26的另一端、第五高频滤波电容C24的另一端和电源地连接；第二电压转换芯片U10的6脚、第二电压转换芯片U10的3脚和第七高频滤波电容C30的一端连接；第二电压转换芯片U10的7脚、第八高频滤波电容C31的一端和电源正极连接；第二电压转换芯片U7的2脚、第八高频滤波电容C31的另一端、第七高频滤波电容C30的另一端和电源地连接；第一电压转换芯片U7的5脚和数据收发核心芯片U16的9脚连接；第一电压转换芯片U7的4脚和数据收发核心芯片U16的10脚连接；第二电压转换芯片U10的5脚和数据收发核心芯片U16的50脚连接；第一电压转换芯片U7的4脚和数据收发核心芯片U16的49脚连接；第一电压转换芯片U7的1脚和主控芯片U9的21脚连接；第一电压转换芯片U7的8脚和主控芯片U9的22脚连接，第一电压转换芯片U7、第二电压转换芯片U10均采用TXB0102DCUR芯片。

5.根据权利要求1所述的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路，其特征在于：

所述的SIM卡读取模块包括SIM卡座U11、第九高频滤波电容C42、第十高频滤波电容C36、第十一高频滤波电容C37、第八高频滤波电容C38；SIM卡座U11的1脚、第九高频滤波电容C42的一端、第十高频滤波电容C36的一端、第十一高频滤波电容C37的一端和第八高频滤波电容C38的一端连接；SIM卡座U11的2脚和第十高频滤波电容C36的另一端连接；SIM卡座U11的3脚和第八高频滤波电容C38的另一端连接；SIM卡座U11的4脚和第九高频滤波电容C42的另一端和电源地连接；SIM卡座U11的6脚和第十一高频滤波电容C37的另一端连接；SIM卡座U11的1脚和数据收发核心芯片U16的30脚连接；SIM卡座U11的2脚和数据收发核心芯片U16的33脚连接；SIM卡座U11的3脚和数据收发核心芯片U16的32脚连接；SIM卡座U11的6脚和数据收发核心芯片U16的31脚连接。

6.根据权利要求1所述的基于eMTC窄带物联网的跌倒呼救电路，其特征在于：所述的SVM阈值采用变异指数CV，变异指数CV为SVM的均值和标准方差比值，体现的是SVM的离散程度；当人正常活动时，CV值较小，而当人剧烈运动或跌倒时，CV值会增大。

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