无线传感网络课程设计模板

摘要

老人摔倒及时报警装置

年级：13通信1班姓名：卞易婕学号：130803002

一、方案概述

1.1 背景及应用

现在是一个老龄化问题现象普遍存在的时代，而对于老年人来说，无论是日益增加的生活成本，还是随着年龄增长必须要面对的健康问题，都给老年人的生活带来了严重的影响。根据调查，在65周岁以上的老年人中，目前已经有超过33%的人受到了来自跌倒的威胁，而跌倒会对老年人造成非常严重的伤害，甚至是死亡。

时下，“老人摔倒无人敢扶”事件频频发生。一方面我们听到对“世风日下”的集体谴责，另一方面却是“好人难当”的无奈感叹。

1月10日早上，家住北京市朝阳区的许大妈去菜市场途中摔倒。年过60的她因膝关节不灵活，自己爬起来很费力。当她向周围的人投去求助的眼神时，却无人愿意上前搀扶。最后，她不得不用了很多时间才自己挣扎着站了起来。

类似的事情或许每天都在我们身边上演。

“救死扶伤、见义勇为、助人为乐本是中华民族的传统美德，但在今天，这种美德不仅没有发扬，而且还被质疑。这背后是无奈，更是人与人之间信任危机的集中爆发。”南京师范大学公共管理学院教授王小锡说。

所以当面临家中老人外出时可能摔倒的情况，子女们不免担忧，怕未能及时知道和发现老人在外遇到的突发事件及所在位置，甚至可能因此错过最佳治疗时间。我所设想的老人摔倒及时报警装置就是由此而来的。

1.2 产品特点

需要设备如下：可穿戴的传感器，相关电路，智能手机APP。

设计产品特点：(1)体积小、结构简单、可靠性高把各功能部件集中，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

(2)低电压、低功耗采用低功耗蓝牙技术，纽扣电池就能带动起来

(3)优异的性能/价格比由于构成的硬件结构简单且便宜、开发周期短、控制功能强、可靠性高，因此，在达到同样功能的条件下，用此硬件开发的控制系统比用其它类型的微型计算机开发的控制系统价格更便宜。

1.3功能介绍

具体思路如下：当老人外出时穿上带有可穿戴式传感器的鞋子，同时会有相关示数在子女的手机或电脑上显示，老人步行时总有一只脚上的传感器有示数，当老人摔倒后两只脚都将没有示数（与电路），此时子女身边设备便会发出警报，后子女可通过GPS定位将救护车“指引”到老人当前的地点并实施快速抢救。

二、实现原理

2.1系统方案

因为是安装在鞋底，需要感知人重力变化的传感器，我采用了电阻应变式称重传感器。它能够实现力--电转换，将外力变换为电信号。选择好可穿戴的传感器后我们就可以设计一个通过测量电阻测试压力的电路，但是无线信号传输非常耗电，并且需要笨重的电池，所以考虑采用低功耗蓝牙技术，纽扣电池就能带动起来。

再利用Java实现用代码去操纵蓝牙低功耗设备。

2.2各模块实现原理

一．可穿戴的传感器

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。因为是安装在鞋底，感知人重力变化的传感器，我采用了电阻应变式称重传感器

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力--电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。

能够实现力--电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器得到了广泛地运用。

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片引变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可

缺少的几个主要部分。

二．相关电路

选择好可穿戴的传感器后我们就可以设计一个通过测量电阻测试压力的电路，所以我们需要设计一个可穿戴的无线电路。本想采用无线传感器网络(WSN)，无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

但是无线信号传输非常耗电，并且需要笨重的电池，所以考虑采用低功耗蓝牙技术，纽扣电池就能带动起来。

选择好可穿戴的传感器后我们就可以设计一个通过测量电阻测试压力的电路，所以我们需要设计一个可穿戴的无线电路。本想采用无线传感器网络(WSN)，无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

但是无线信号传输非常耗电，并且需要笨重的电池，所以考虑采用低功耗蓝牙技术，纽扣电池就能带动起来。

三．智能手机APP

利用Java学习如何用代码去操纵蓝牙低功耗设备。

三、软硬件设计

3.1硬件设计

一可穿戴的传感器

电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R = ρL/S（Ω）（2—1）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其

横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

=（1 + 2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

= K *ΔL/L （2--6）

其中

K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（2--7）

式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2--6）常写作：

ΔR/R = Kε (2—8)

弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3）（2--9）其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

3.2软件设计

3.2.1软件的总体架构

打开电阻应变式称重

传感器进行监听

电阻应变式称重

传感器

当老人摔倒后两只脚都将没有示数（与电路），电阻应变式称重传感器进行监听且检测到异常。此时监护人身边设备便会发出警报，后子女可通过GPS定位将救护车“指引”到老人当前的地点并实施快速抢救。

3.2.2程序界面

3.2.3数据库

3.2.2程序界面

3.2.3数据库

3.2.4关键算法

四：原型系统演示/测试数据无测试数据

五：商业模式