基于0neNET的老人防摔智能检测系统设计

0引言

随着社会发展人口老龄化问题日益显著,老年人生活安全逐渐成为社会关注的焦点[1]。摔倒作为老年人生活中常见的安全威胁,可能会引发骨折、颅脑损伤等严重后果,需要迅速做出响应以减少伤害并及时提供救助,意外摔倒所引发的后果已经成为威胁老年人生命健康的重要原因之一[2—3]。因此,开发一种高效、可靠的防摔检测系统,对于保障老年人生活安全具有重要的现实意义。

近年来,物联网技术的快速发展以及智能穿戴设备与健康检测终端的大规模网络接入,正在重塑老年人安全监护的应用图景[4]。目前关于检测设备终端的互联技术,主要围绕便携式嵌入式移动系统开发方向开展研究[5—7],众多研究虽实现了设备轻量化,但牺牲了对多源冗余数据的实时处理和维护能力。

针对以上问题,本文提出设计一种基于oneNET云平台的老人防摔智能检测系统,系统采用设备边缘计算与云端协同的混合架构,集成GPS定位、摔倒检测、紧急求助等功能,可实时显示用户位置及健康状态。当检测到老人摔倒或老人主动请求帮助时,系统将立即启动警报机制,通过蜂鸣器提醒周围人群注意;同时立即通过短信等方式通知监护人,缩短救援响应时间。本系统旨在降低老年人因摔倒救治不及时导致的伤亡风险,为独居老人、失能人群等高危群体提供安全防护,具有良好的社会价值和应用前景。

1 系统框架结构

1.1oneNET系统结构

oneNET云平台是一站式物联网(IOT)服务开放平台,提供设备接入、连接管理及端到端的数据采集、存储与可视化功能[8—9]。系统架构如图1所示,该平台支持多种通信服务协议,设备可通过适配的协议实现与用户端的数据传输[10]。

1.2 防摔检测系统架构

老人防摔智能检测系统基于oneNET云平台实现数据的订阅与发布。系统以云端MQTT服务代理为核心,客户端通过MQTT协议与服务端建立连接,可发布应用消息至其他客户端,或订阅接收相关消息,从而构建端到端的传感网络。系统整体结构如图2所示,硬件层以STM32F103单片机为中央控制单元,负责多源数据健康状态、位置信息、姿态数据的采集处理及本地显示,并通过Air724UG 4G模块将数据无线传输至OneNET云平台。云平台作为数据中心,完成数据的接收、存储、可视化及分析决策;用户端通过订阅指定主题,实时获取老人健康状态、位置及摔倒警告信息,实现远程监护。

2硬件结构设计

系统硬件部分装置包含核心控制模块、红外体温监测模块、MAX30102脉搏心率监测模块、有源蜂鸣器模块、GPS模块、Air724UG 4G模块、MPU6050陀螺仪模块、OLED显示模块等,电路原理图如图3所示。其中,系统核心控制由STM32F103核心控制器及电源模块、复位模块等共同组成最小系统电路。红外体温监测、Air724UG、MAX30102、GPS与单片机通过串口连接,OLED、MPU6050通过IIC协议与单片机连接,组成数据传输电路,完成数据发送与接收。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

下位机设备上电后,主程序会对板载设备及外部设备进行初始化,实现设备初始化配置;当所有设备初始化完成,程序进入循环检测模式,开始数据采集与处理,通过时间片轮询调度各模块任务,实时采集体温、心率、血氧、位置等数据,并进行滤波和校准处理。主程序流程如图4所示。

3.2 防摔检测算法

MPU6050通过X、Y、Z轴的加速度与角速度数据实现姿态解算。利用角速度积分可得到角度变化量,因其长期积分会累积误差,容易出现漂移;而利用加速度计算欧拉角,受振动噪声影响较大。因此,通过数据互补融合,设置权重值α,得到最终欧拉角。融合计算方法如式(1)所示:

θfused=α·θgyro+(1—α)·θaccel (1)

式中:θfused为融合角度;α为滤波参数;θgyro为陀螺仪角度;θaccel为加速度计角度。

其程序设计流程如图5所示。

3.34G模块程序设计

Air724UG模块用于下位机与oneNET服务器的连接,其配置过程如图6所示。设备在上电复位后,会自适应调整波特率,并完成开启SIM卡、网络附着状态等的检查,设置自动APN,激活网络获取IP地址。初始设置完成,4G模块发送AT指令与云平台匹配,创建设置MQTT参数,设置用户名及密码,直至匹配成功。当匹配完成,连接MQTT服务器,发起会话请求,即可实现数据传输。

4 云平台系统设计

4.1 系统配置

OneNET系统配置采用分层管理模式:首先,创建主账号完成用户体系认证;其次,在用户层级下创建具体物联网产品,通过协议管理模块约定通信传输协议和数据格式规范,完成产品技术参数配置;最后,在产品下注册设备实体,通过唯一设备ID和鉴权密钥建立设备数字身份。设备端通过MQTT协议连接时,需携带产品ID、设备名称及加密密钥进行双向认证,成功接入后即可实现设备状态同步、物模型数据上报、云端指令下发等核心功能。

4.2 数据流设置

下位机通过4G通信模块与云端平台建立双向连接后,系统将基于预设数据格式自动创建对应的数据流节点,表1为预设数据流节点。

云端平台将实时存储所有节点的历史运行数据,管理员可通过可视化控制台实现数据追溯,支持时间轴检索、字段筛选等方式调取任意时段数据,基于客户端历史运行状态信息生成数据曲线,为进一步分析和统计提供帮助。

5 实验测试

5.1 系统测试

为验证系统的可靠性与可行性,搭建了实物电路,如图7所示。

实验设置三种模拟场景,分别模拟以下场景:

1)分别处于静息状态与运动状态时,MLX90614模块与MAX30102模块检测数值变化;2)分别处于站姿与卧姿时MPU6050模块数值变化;3)分别处于不同地方时GPS模块数值变化。通过地址链接访问云端界面实时数据,上位机接收数据和下位机上传数据一致,验证了数据传输的准确性。

5.2摔倒状态测试

实验进行四组测试,设置倾斜40O为摔倒状态阈值,摔倒倾斜角度值线性增加,测试结果如表2所示。实验结果表明,该系统对摔倒状态的预警准确率高,验证了系统防摔预警检测的准确性。

6 总结及展望

本文提出了一种基于oneNET云平台的老人防摔智能检测系统解决方案,结合物联网技术实现多源数据监测。系统以oneNET云平台搭建服务代理,STM32为核心处理器构建下位机检测系统,通过MQTT协议将下位机采集的传感模块的数据信息发送至云端平台,并通过可视化页面实时查看状态信息,同时数据通过本地OLED实时显示。通过循环调度机制解析数据,完成采集、报警及通信功能,当系统检测到异常摔倒状态,则立即预警提示,主动实现帮助请求。实验结果表明,系统能够准确实现数据的稳定传输、预警提示及摔倒检测。在摔倒检测的预警提示方面,准确率高,验证了系统的可靠性。该系统为老人防摔预警检测提供了可行的技术方案,具有一定的实际应用价值。

今后在系统的稳定性与实时性提升、摔倒状态算法改进、用户交互界面等方面还需继续优化,从而进一步改善系统性能和用户体验。

[参考文献]

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《机电信息》2025年第15期第13篇