基于B/S架構(gòu)的戶外監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，我國老年人口增長將分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是平緩加速階段(2000—2028年)，65歲及以上人口將從不足1億增加到并超過2億，平均每年增加近400萬;第二個(gè)階段是急速增加階段(2028—2038年)，65歲及以上人口將由2億增加到并超過3億，平均每年增加1000萬；第三個(gè)階段是基本平穩(wěn)階段(2038—2050)年，65歲及以上人口將由3億增加到3.34億,平均每年增加280萬。老年人口激增,社會(huì)對應(yīng)用于老年人的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的需求越來越迫切。摔倒是老年人經(jīng)常遇到的危險(xiǎn)情況，尤其是老人摔倒后未得到及時(shí)救治已成為造成老年人意外傷亡的首要原因。另外，老人、智障者以及兒童“走失”的問題時(shí)有發(fā)生，也成為困擾許多家庭的難題。因此，開發(fā)一款實(shí)用便捷的戶外監(jiān)護(hù)系統(tǒng)非常有意義。目前市場上存在的戶外監(jiān)控系統(tǒng)多為針對用戶地理位置的，并沒有摔倒檢測功能，監(jiān)控平臺(tái)多為采用C/S架構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的，同時(shí)也具備摔倒檢測功能，因而具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)終端和監(jiān)控中心兩大部分組成。監(jiān)護(hù)終端以MCU(MicroControlUnit)微控制器為中心，在GPS衛(wèi)星定位模塊、摔倒檢測模塊和GPRS/GSM無線通信模塊的配合下，實(shí)現(xiàn)位置信息的采集、摔倒判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)在外觀上制作成腕表的樣式，以便于攜帶。監(jiān)控中心采用B/S(Browser/Server)架構(gòu)設(shè)計(jì)，這種架構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對老人摔倒后的及時(shí)準(zhǔn)確警報(bào)，對老年人、兒童、智障者的準(zhǔn)確定位追蹤。為保證以上總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)需要達(dá)到三個(gè)具體目標(biāo)：第一，摔倒檢測算法的優(yōu)化，既要使算法的準(zhǔn)確性滿足要求，確保足夠低誤報(bào)率，又要使算法盡可能簡潔，保證實(shí)時(shí)性的要求。第二，警報(bào)信息的及時(shí)準(zhǔn)確傳輸，確保無線通信模塊準(zhǔn)確地響應(yīng)MCU微控制器的指令，并把用戶的地理位置信息實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)端。第三，用戶地理位置的遠(yuǎn)程追蹤，查詢實(shí)時(shí)化，并保證可以通過訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫查詢用戶的歷史記錄和進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

圖1系統(tǒng)總體框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由衛(wèi)星定位模塊、摔倒檢測和無線通信三個(gè)模塊組成。衛(wèi)星定位模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶所處位置和移動(dòng)速度參數(shù)，摔倒檢測模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測加速度參數(shù),無線通信模塊用于發(fā)送警報(bào)和求救信息，實(shí)時(shí)上傳用戶所處位置信息到遠(yuǎn)程服務(wù)端。各模塊在MCU的控制下相互配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件原理框圖

2.1MCU微控制器

MCU采用msp430f149單片機(jī)，該單片機(jī)采用16位的RSIC結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行速度快，單條指令執(zhí)行的時(shí)間只需125ns。同時(shí)該單片機(jī)具有超低功耗的特點(diǎn)，在待機(jī)模式下工作的電流只有1.6uA,就是在2.2V、1MHz的活動(dòng)模式下工作電流只有280uA。因此，選用這款單片機(jī)作為本系統(tǒng)的MCU非常合適。

2.2衛(wèi)星定位模塊

衛(wèi)星定位模塊采用環(huán)天世通科技公司ET-662衛(wèi)星接收模塊，該模塊具有體積小，敏感度高，定位速度快等特點(diǎn)。它通過UART與MCU通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，定位數(shù)據(jù)每秒刷新一次。

2.3摔倒檢測模塊

摔倒檢測模塊采用亞德諾半導(dǎo)體公司（AnalogDevice）生產(chǎn)的ADXL345,它是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計(jì),分辨率高（13位），測量范圍達(dá)±16g，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，既可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。在本系統(tǒng)中，ADXL345采用I2C接口與MSP430F149通信。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊，它是一款二頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM900MHz和DCS1800MHz，支持GPRSmulti-slotclass10/class8（可選）和GPRS編碼格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，所以在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA。此夕卜，SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IPAT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用時(shí)非常有用。在本系統(tǒng)中，SIM900A采用UART接口與MSP430F149通信。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

戶外監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件分為終端監(jiān)護(hù)程序和監(jiān)控中心兩個(gè)部分。終端監(jiān)護(hù)程序主要是實(shí)現(xiàn)對用戶信息的采集和傳輸，監(jiān)控中心軟件主要是完成對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，及交互界面的設(shè)計(jì)。

3.1終端監(jiān)護(hù)程序

本系統(tǒng)的終端監(jiān)護(hù)程序流程圖如圖3所示。

圖3終端監(jiān)護(hù)程序流程圖

圖3中，首先是對MCU進(jìn)行初始化，之后MCU處于偵聽狀態(tài)，一旦檢測到摔倒、查詢、定時(shí)中斷，MCU做出相應(yīng)的響應(yīng)。其中摔倒的優(yōu)先級最高，查詢其次，定時(shí)中斷的優(yōu)先級最低。主要完成以下三個(gè)任務(wù):第一，接收摔倒檢測數(shù)據(jù)，通過摔倒檢測算法，判定是否摔倒；第二，接收無線通信模塊的用戶狀態(tài)查詢請求，并根據(jù)查詢請求的內(nèi)容回復(fù)用戶所處位置、移動(dòng)速度和行動(dòng)方向等信息；第三，接收衛(wèi)星定位模塊的數(shù)據(jù)幀，提取數(shù)據(jù)幀中的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，并通過無線通信模塊將該坐標(biāo)值發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)以上三個(gè)任務(wù)，可將終端監(jiān)護(hù)程序劃分為摔倒判定模塊、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、用戶狀態(tài)查詢回復(fù)模塊。

3.2監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用三層B/S體系結(jié)構(gòu)，是對C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)的一種變化或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，少部分事物邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，主要事物邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，形成所謂的三層架構(gòu)。

監(jiān)控中心與客戶端之間的體系架構(gòu)可以分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層。表示層支持矢量圖形數(shù)據(jù)的顯示和地圖操作，將位置信息經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成獨(dú)立的圖層，疊加在背景電子地圖上；業(yè)務(wù)邏輯層用于實(shí)現(xiàn)客戶端和WebServer服務(wù)器之間的通信，主要完成GPS定位信息處理、GIS處理和摔倒警報(bào)信息處理等功能；數(shù)據(jù)訪問層主要負(fù)責(zé)用戶摔倒信息數(shù)據(jù)庫、GPS信息數(shù)據(jù)庫、地圖屬性數(shù)據(jù)庫和日志文檔的存儲(chǔ)管理和維護(hù)。數(shù)據(jù)訪問層和表示層被業(yè)務(wù)邏輯層分隔，客戶端訪問的是應(yīng)用程序，由應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢和存取，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)簡化了對數(shù)據(jù)的管理。監(jiān)控中心與客戶端之間的體系架構(gòu)圖如圖4所示。

4結(jié)語

本文提出了一套從底層硬件到上層軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以滿足對老人、兒童和智障者的日常監(jiān)護(hù)。底層硬件釆用功耗低、穩(wěn)定度高、體積小的器件，符合戶外用品對實(shí)用性要求高的特點(diǎn)。上層軟件釆用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有使用方便、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)?？傊?，該方案必將在很大程度上消除老人、兒童和智障者的日常生活隱患，為老人、兒童和智障者的日常生活保駕護(hù)航。

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