基于B/S架构的户外监护系统设计与实现

引言

据联合国预测，我国老年人口增长将分为三个阶段：第一个阶段是平缓加速阶段(2000—2028年)，65岁及以上人口将从不足1亿增加到并超过2亿，平均每年增加近400万;第二个阶段是急速增加阶段(2028—2038年)，65岁及以上人口将由2亿增加到并超过3亿，平均每年增加1000万；第三个阶段是基本平稳阶段(2038—2050)年，65岁及以上人口将由3亿增加到3.34亿,平均每年增加280万。老年人口激增,社会对应用于老年人的监护系统的需求越来越迫切。摔倒是老年人经常遇到的危险情况，尤其是老人摔倒后未得到及时救治已成为造成老年人意外伤亡的首要原因。另外，老人、智障者以及儿童“走失”的问题时有发生，也成为困扰许多家庭的难题。因此，开发一款实用便捷的户外监护系统非常有意义。目前市场上存在的户外监控系统多为针对用户地理位置的，并没有摔倒检测功能，监控平台多为采用C/S架构。本文设计的系统是基于B/S架构的，同时也具备摔倒检测功能，因而具有更高的应用价值。

1系统总体设计方案

系统主要由监护终端和监控中心两大部分组成。监护终端以MCU(MicroControlUnit)微控制器为中心，在GPS卫星定位模块、摔倒检测模块和GPRS/GSM无线通信模块的配合下，实现位置信息的采集、摔倒判断、数据传输的功能，同时在外观上制作成腕表的样式，以便于携带。监控中心采用B/S(Browser/Server)架构设计，这种架构设计统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。系统的总体框图如图1所示。

系统设计的总体目标是实现对老人摔倒后的及时准确警报，对老年人、儿童、智障者的准确定位追踪。为保证以上总体目标的实现，系统需要达到三个具体目标：第一，摔倒检测算法的优化，既要使算法的准确性满足要求，确保足够低误报率，又要使算法尽可能简洁，保证实时性的要求。第二，警报信息的及时准确传输，确保无线通信模块准确地响应MCU微控制器的指令，并把用户的地理位置信息实时上传到远程服务端。第三，用户地理位置的远程追踪，查询实时化，并保证可以通过访问网络数据库查询用户的历史记录和进行实时追踪。

图1系统总体框图

2系统硬件设计

系统的硬件部分主要由卫星定位模块、摔倒检测和无线通信三个模块组成。卫星定位模块用于实时监测用户所处位置和移动速度参数，摔倒检测模块用于实时监测加速度参数,无线通信模块用于发送警报和求救信息，实时上传用户所处位置信息到远程服务端。各模块在MCU的控制下相互配合，实现系统的各种功能，系统硬件原理框图如图2所示。

图2系统硬件原理框图

2.1MCU微控制器

MCU采用msp430f149单片机，该单片机采用16位的RSIC结构，指令的执行速度快，单条指令执行的时间只需125ns。同时该单片机具有超低功耗的特点，在待机模式下工作的电流只有1.6uA,就是在2.2V、1MHz的活动模式下工作电流只有280uA。因此，选用这款单片机作为本系统的MCU非常合适。

2.2卫星定位模块

卫星定位模块采用环天世通科技公司ET-662卫星接收模块，该模块具有体积小，敏感度高，定位速度快等特点。它通过UART与MCU通信，实现数据的传输，定位数据每秒刷新一次。

2.3摔倒检测模块

摔倒检测模块采用亚德诺半导体公司（AnalogDevice）生产的ADXL345,它是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计,分辨率高（13位），测量范围达±16g，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，既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。在本系统中，ADXL345采用I2C接口与MSP430F149通信。

2.4无线通信模块

无线通信模块采用SIMCom公司的SIM900A模块，它是一款二频的GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM900MHz和DCS1800MHz，支持GPRSmulti-slotclass10/class8（可选）和GPRS编码格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。SIM900A采用省电技术设计，所以在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA。此夕卜，SIM900A内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IPAT命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，这些在用户做数据传输方面的应用时非常有用。在本系统中，SIM900A采用UART接口与MSP430F149通信。

3系统软件设计

户外监护系统的软件分为终端监护程序和监控中心两个部分。终端监护程序主要是实现对用户信息的采集和传输，监控中心软件主要是完成对数据的存储，及交互界面的设计。

3.1终端监护程序

本系统的终端监护程序流程图如图3所示。

图3终端监护程序流程图

图3中，首先是对MCU进行初始化，之后MCU处于侦听状态，一旦检测到摔倒、查询、定时中断，MCU做出相应的响应。其中摔倒的优先级最高，查询其次，定时中断的优先级最低。主要完成以下三个任务:第一，接收摔倒检测数据，通过摔倒检测算法，判定是否摔倒；第二，接收无线通信模块的用户状态查询请求，并根据查询请求的内容回复用户所处位置、移动速度和行动方向等信息；第三，接收卫星定位模块的数据帧，提取数据帧中的经纬度坐标值，并通过无线通信模块将该坐标值发送到网络数据库。根据以上三个任务，可将终端监护程序划分为摔倒判定模块、卫星定位数据收发模块、用户状态查询回复模块。

3.2监控中心软件设计

监控中心采用三层B/S体系结构，是对C/S（Client/Server）结构的一种变化或改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现的，少部分事物逻辑在前端实现，主要事物逻辑在服务器端实现，形成所谓的三层架构。

监控中心与客户端之间的体系架构可以分为表示层、业务逻辑层和数据层。表示层支持矢量图形数据的显示和地图操作，将位置信息经过坐标转换生成独立的图层，叠加在背景电子地图上；业务逻辑层用于实现客户端和WebServer服务器之间的通信，主要完成GPS定位信息处理、GIS处理和摔倒警报信息处理等功能；数据访问层主要负责用户摔倒信息数据库、GPS信息数据库、地图属性数据库和日志文档的存储管理和维护。数据访问层和表示层被业务逻辑层分隔，客户端访问的是应用程序，由应用程序对数据进行查询和存取，在提高系统性能的同时简化了对数据的管理。监控中心与客户端之间的体系架构图如图4所示。

4结语

本文提出了一套从底层硬件到上层软件的系统设计方案，可以满足对老人、儿童和智障者的日常监护。底层硬件釆用功耗低、稳定度高、体积小的器件，符合户外用品对实用性要求高的特点。上层软件釆用B/S架构设计，具有使用方便、实时性好、可靠性高等诸多优点。总之，该方案必将在很大程度上消除老人、儿童和智障者的日常生活隐患，为老人、儿童和智障者的日常生活保驾护航。

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