CN113179486A - 一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，包括Zigbee模块和4G模块，所述Zigbee模块和4G模块与控制器串口连接，所述控制器电性连接有九轴加速传感器和蜂鸣器，所述控制器通过中断系统连接有呼叫按键，所述紧急呼叫器系统工作分为两种状态正常工作状态和紧急状态，本发明通过使用zigbee网络实现室内定位，在室外使用GPS定位，实现在多种情况下定位，并且及集成了加速度传感器自动判断老人摔倒，通过集成4G模块将数据发送到大数据云平台，云平台会将报警信息发送给用户，本发明的主要应用在养老院中，作为老人日常生活需要帮助时，或者遇到摔倒等意外情况时，及时发出求救信号，以便工作人员能够立刻到场实施救护工作。

Description

一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器

技术领域

本发明主要涉及智慧养老智能检测与控制系统的技术领域，具体 为一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器。

背景技术

目前国内的智慧养老软件及大数据系统，采用一些其它的一些技 术再整合智能家居的一些设备，但是当老人在自主活动时，发生意外 情况时，无法快速到达老人旁边实施救护。

发明内容

本发明主要提供了一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急 呼叫器，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，包括Zigbee 模块和4G模块，所述Zigbee模块和4G模块与控制器串口连接，所 述控制器电性连接有九轴加速传感器和蜂鸣器，所述控制器通过中断 系统连接有呼叫按键，本发明通过使用zigbee网络实现室内定位， 在室外使用GPS定位，实现在多种情况下定位，并且及集成了加速度 传感器自动判断老人摔倒，通过集成4G模块将数据发送到大数据云 平台，云平台会将报警信息发送给用户，本发明的主要应用在养老院 中，作为老人日常生活需要帮助时，或者遇到摔倒等意外情况时，及 时发出求救信号，以便工作人员能够立刻到场实施救护工作。

进一步的，所述正常工作状态下定时检测GPS和zigbee模块， 定时检测九轴加速传感器的数据。

进一步的，所述紧急状态分为自主和自动两种紧急模式。

进一步的，所述自主紧急模式利用呼叫按键连接的控制器中断系 统，当按下按键时，触发紧急状态机制。

进一步的，所述自动紧急模式检测机制，采用特征向量法与阈值 对比判定，正常人体运动方向定义为x,y,z三个方向，对应三个方向 的加速度记为a_x，a_y，a_z，特征向量为加速度的矢量和记为

因此可以使用阈值法判断跌倒。

进一步的，所述紧急模式根据系统读取Zigbee模块状态，利用 获取的mac号和对应的Zigbee模块的信号强度，从而计算RSSI值位 置。

进一步的，所述RSSI值的测距技术是利用无线电信号随距离增 大而有规律地衰减的原理来测量节点间的距离的。接收信号强度RSSI 与传输距离d的关系如下所示：

RSSI＝-(10×n×lgd+A)。

进一步的，所述RSSI值与网关计算出距离每个网关的距离记为 d_i，根据实现存储好的每个网关的位置记为(x_i，y_i，z_i)，使用者的位 置记为(x，y，z)可得如下方程

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

通过多传感器信息融合，自动判定摔倒，或者人为按键触发，发 送呼救信号。同时在室内环境时，会根据内部的zigbee模块和预先 敷设好的zigbee网关通讯，实现室内定位，当在室外时通过GPS定 位，将老人的位置信息通过4G信号发送给大数据平台，设备蜂鸣器 发出警报声便于寻找老人，使得老人能够在紧急情况下及时得到帮 助。

以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。

附图说明

图1为本发明的系统连接结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全 面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过 不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这 些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直 接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连 接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在 居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发 明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说 明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于 限制本发明，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所 列项目的任意的和所有的组合。

请着重参照附图1，一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急 呼叫器，包括Zigbee模块和4G模块，所述Zigbee模块和4G模块与 控制器串口连接，所述控制器电性连接有九轴加速传感器和蜂鸣器， 所述控制器通过中断系统连接有呼叫按键，所述紧急呼叫器系统工作 分为两种状态正常工作状态和紧急状态，本发明通过使用zigbee网 络实现室内定位，在室外使用GPS定位，实现在多种情况下定位，并 且及集成了加速度传感器自动判断老人摔倒，通过集成4G模块将数 据发送到大数据云平台，云平台会将报警信息发送给用户，本发明的 主要应用在养老院中，作为老人日常生活需要帮助时，或者遇到摔倒 等意外情况时，及时发出求救信号，以便工作人员能够立刻到场实施 救护工作。

请着重参照附图1，所述正常工作状态下定时检测GPS和zigbee 模块，定时检测九轴加速传感器的数据，所述紧急状态分为自主和自 动两种紧急模式，所述自主紧急模式利用呼叫按键连接的控制器中断 系统，当按下按键时，触发紧急状态机制，所述自动紧急模式检测机 制，采用特征向量法与阈值对比判定，正常人体运动方向定义为x,y,z 三个方向，对应三个方向的加速度记为a_x，a_y，a_z，特征向量为加速 度的矢量和记为

因此可以使用阈值法判断跌倒， 所述紧急模式根据系统读取Zigbee模块状态，利用获取的mac号和 对应的Zigbee模块的信号强度，从而计算RSSI值位置，所述RSSI 值的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理 来测量节点间的距离的，接收信号强度RSSI与传输距离d的关系如 下所示：

RSSI＝-(10×n×lgd+A)

所述RSSI值与网关计算出距离每个网关的距离记为d_i，根据实 现存储好的每个网关的位置记为(x_i，y_i，z_i)，使用者的位置记为 (x，y，z)可得如下方程

从而便于作为老人日常生活需要帮助时，或者遇到摔倒等意外情 况时，及时发出求救信号。以便工作人员能够立刻到场实施救护工作。

本发明的具体操作方式如下：

本发明主要应用在养老院中，使用环境需要预先在养老院房间中 敷设zigbee网关，供本发明连接作为室内定位的基准。根据给养老 院规划坐标，给每个zigbee网关的实际位置转化为坐标位置，录入 到大数据平台，并且使用本发明测试多个位置与zigbee网关的通讯 RSSI值，并实际测距，计算出公式RSSI＝-(10×n×lgd+A)，中的n表 示信号传播常数，也叫传播系数。A是一个经验参数，可以通过测量 距离发送者1m处的RSSI值得到，计算出实际环境中的n和A的值。 做室内定位使用。将基础数据录入到大数据平台中，本发明连接大数 据平台时，大数据平台会下发标定参数。使用时直接佩戴到老人身上 即可。要运用GPS实现在室外定位，利用zigbee近距离通讯的特点 实现室内外的定位。集成加速度传感器，用于自动判定摔倒。集成的 4G模块在zigbee无法通讯时作为数据发送通道使用。控制器核心采 用stm32f103单片机。将各个模块与单片机连接，由单片机处理各种 信号并发送数据。系统工作分为两种状态一种是在正常工作状态，另 一种是紧急状态。正常工作状态下会定时检测GPS和zigbee信号， 定时(这个定时是毫秒级)检测加九轴速度传感器的数据，其余时间 系统会进入休眠状态降低功耗。当检测到GPS或者zigbee无数据返 回时视为硬件故障，会向大数据平台上报故障，以便及时维修，防止 出现更大的损失。紧急模式，在一定情况下会进入紧急模式。紧急呼 叫按键连接的是控制器的中断系统，当按下按键是，系统立刻响应， 此时认为发生紧急事件，触发紧急事件机制。控制器不断检测加速度 传感器的读数，通过加速度值计算当判定认为老人跌倒时。触发紧急 事件机制。检测机制：采用特征向量法与阈值对比判定。正常人体运 动方向定义为x,y,z三个方向，对应三个方向的加速度记为a_x，a_y， a_z，特征向量为加速度的矢量和记为

在日常生活中的跌倒过程所受的冲击力要比其他行为明显，该冲击力可用加速度 大小来表示，因此可以使用阈值法判断跌倒，即加速度svm与阈值比 较，由于人体的差异，和一些剧烈运动如跳跃奔跑仅从数值上和跌倒 差别不大。仅仅采用单一阈值会容易发生误判，因此采用阈值做第一 步判断，在满足阈值判断和，在对后面的运动姿态做二次判定来作为 最后判断结果，能够大大提高判断的准确度。通过正常人佩戴本发明， 并记录大量数据，得出，跌倒时最大合加速度能够达到6g，其中合 加速度出现两个极值点，一个是跌倒前半部分，近似自由落体，合加 速度几乎为0，一个是跌倒的瞬间，合加速度最大值几乎可以达到6g。 经大量实验测试，一般站立、坐下、行走合加速度均不超过3g，跑 步时合加速度值较大，最大值平均可以达到5.2g。经过实际验证阈 值取3.8g时，效果较好。仅仅通过阈值比较还不能判断为跌倒，跑 步这类剧烈运动仅仅通过阈值是无法区分是跌倒还是跑步。需要二次 判断，跌倒时先是近似自由落体，落地瞬间有近乎6g的加速度，跌 倒后基本处于静止状态。而剧烈运动在出大于阈值的加速度后，依然 会存在惯性运动，或者持续周期性出现大于阈值的加速度，根据这一 特征做二次判断，能够准确的识别出跌倒和剧烈运动。通过控制器计 算最终得出是否跌倒。在进入紧急模式后，系统首先读取zigbee状 态。在养老院环境中需要预先敷设固定的zigbee网关。系统会扫描 周围的zigbee网关，当扫描到zigbee网关信号时，认为在室内，并 与能够扫描到的网关通讯，获取网关的mac号和对应的zigbee的信 号强度。跟与zigbee网关之间的RSSI值计算位置，基于RSSI的测 距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理来测量 节点间的距离的。接收信号强度RSSI与传输距离d的关系如下所示： RSSI＝-(10×n×lgd+A)。其中RSSI值为zigbee网关与设备之间的信号 强度值，可以直接从通讯模块中读取。n表示信号传播常数，也叫传 播系数。d表示与发送者的距离。A是一个经验参数，可以通过测量 距离发送者1m处的RSSI值得到。其中n是用来描述信号强度随距 离增加而递减的参量，n的大小依赖具体的环境。因为在实际使用中 不可避免的存在障碍物，导致n的值不容易直接确定，为了得到最优 的n值，可以在安装好zigbee网关后，通过实际测量标定的方法， 然后找到最适合这个具体环境的n和A的值。就可以计算出老人与网 关之间的距离。本发明同时连接多个网关，根据与网关的RSSI值计 算出距离每个网关的距离记为d_i，根据实现存储好的每个网关的位置 记为(x_i，y_i，z_i)，使用者的位置记为(x，y，z)可得如下方程

每次至少需要读取到3个网关的信号，最后采用最小二乘法求解方程 组，最后得出使用者的具体位置，并发送给大数据平台，在zigbee 模块块检测不到网关信号时，认为在室外，此时启动GPS定位，控制 器将GPS的位置信息发送给大数据平台，将位置发送到大数据平台 后，再开启本地蜂鸣器，发出警报声，工作人员根据大数据平台计算 得出的位置信息，尽快找到老人的位置，及时为老人提供帮助。

上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现 并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进 行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应 用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，包括Zigbee模块和4G模块，其特征在于，所述Zigbee模块和4G模块与控制器串口连接，所述控制器电性连接有九轴加速传感器和蜂鸣器，所述控制器通过中断系统连接有呼叫按键，所述紧急呼叫器系统工作分为两种状态正常工作状态和紧急状态。

2.根据权利要求1所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，所述正常工作状态下定时检测GPS和zigbee模块，定时检测九轴加速传感器的数据。

3.根据权利要求1所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，所述紧急状态分为自主和自动两种紧急模式。

4.根据权利要求3所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，所述自主紧急模式利用呼叫按键连接的控制器中断系统，当按下按键时，触发紧急状态机制。

5.根据权利要求3所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，所述自动紧急模式检测机制，采用特征向量法与阈值对比判定，正常人体运动方向定义为x,y,z三个方向，对应三个方向的加速度记为a_x，a_y，a_z，特征向量为加速度的矢量和记为

因此可以使用阈值法判断跌倒。

6.根据权利要求1所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，所述紧急模式根据系统读取Zigbee模块状态，利用获取的mac号和对应的Zigbee模块的信号强度，从而计算RSSI值位置。

7.根据权利要求6所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，基于RSSI的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理来测量节点间的距离的。接收信号强度RSSI与传输距离d的关系如下所示：

RSSI＝-(10×n×lgd+A)。

8.根据权利要求6所述的一种应用于养老机构的具有定位功能的紧急呼叫器，其特征在于，所述RSSI值与网关计算出距离每个网关的距离记为d_i，根据实现存储好的每个网关的位置记为(x_i，y_i，z_i)，使用者的位置记为(x，y，z)可得如下方程

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