介绍基于Android系统的新型可穿戴报警设备的设计。
该设备主要由电子鞋报警模块和Android APP两个部分组成。
系统使用微型充电电池搭配压电陶瓷充电电路为报警模块供电，延长电池使用时间。
当遇到危险时，使用者可以利用脚跟重压报警按键3 s主动发送信号或者在系统陀螺仪检测到使用者处于摔倒状态，且Android手机脱离连接范围的情况下，自动使用鞋内报警模块驱动低功耗蓝牙4.0向APP发送报警信号。
APP将当前记录的GPS数据作为警报信息内容发送至多个已绑定的邮箱和手机，并拨打110报警电话，从而实现及时、快速地求救。
��验结果表明，该系统识别危险情况准确，实时性、可靠性较高，具备一定市场应用价值。

　　关键词： Android； 可穿戴设备； 陀螺仪； 压电陶瓷充电电路； 报警设备； GPS
　　中图分类号： TN820.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0059?05
　　Abstract： The design of a novel wearable alarm device based on Android system is introduced. The device is mainly composed of two parts of electronic shoe alarm module and An广东深圳专业医用器械产品外观工业产品设计浅析医疗器械营销渠道管理的创新droid APP. In the system， the micro charging battery matched with the piezoelectric ceramic charging circuit is used to supply power for the alarm module， so as to prolong the service time of the battery. When danger comes， users can use their heels to press the alarm button hard for 3 seconds， so as to send signals actively， or their falling state can be detected by the gyroscope of the system. If the Android phone is beyond the connection scope， the electronic shoe alarm module will automatically drive the low?consumption Bluetooth 4.0 to send alarm signals to APP. APP takes the currently?recorded GPS data as the alarm information content to send it to multiple bound mailboxes and mobile phones， and dials the alarm telephone number 110， so as to realize timely and rapid rescue. The experimental results show that the system can identify dangerous circumstances accurately， has high real?time performance， reliability， and a certain market application value.
　　Keywords： Android； wearable device； gyroscope； piezoelectric ceramic charging circuit； alarm device； GPS 0 引 言
　　随着国内经济的飞快发展，互联网技术高速发展的同时也带动了智能手机的发展，目前，搭载有Android系统的智能手机市场占有率高达89%。
物质文化的高速发展并不能掩盖一些社会问题，特别是近年来恶性伤害的事件逐步增长，人民安全需要得到更多的保障[1]。

　　现在市面上有很多针对不同群体的可穿戴电子设备，如针对儿童安全的360儿童卫士手环、小天才Y01手表等。
这些产品内置GPS模块和GSM通信模块，通过配套的APP，家长可远程监控儿童位置，但由于使用者年龄较小，安全因素更多地依赖于家长的监视，这需要耗费家长的大量时间。
又如满足成年人需求的Apple Watch，小米手环等产品，健康广东深圳专业医疗设备器械工业产品设计深圳购房团的轰动效应、娱乐是其产品的核心部分，无法照顾到安全功能的设计。
上述产品设计的报警按键暴露在表面，只有使用者点击按键才能发送报警信号，报警方式单一，无法做到自动检测报警。
且设备使用时间维持在1～2周，待机能力一般，供电由一次性电池提供，对环境危害较大。

　　从隐形、便携等方面综合考虑，将防护模块置于鞋内更为有效。

　　在本文设计方案中，鞋内报警模块使用微充电电池与压电陶瓷充电电路组成电源为设备供电。
压电陶瓷充电电路负责将使用者机械能转化为电能，为电池充电，延长电池使用时间。
利用陀螺仪采集使用者状态，当状态值改变幅度超过设定的阈值时，且Android设备与电子鞋脱离连接时，自动发送报警功能。
但是鞋内空间狭小，使用者在进行剧烈运动的时候，可能会造成电子元器件的松动，所以本文设计的电子鞋底部尽可能地少放置电子器件，报警功能的实现集中于Android手机。
1 系统结构与功能
　　系统主要由鞋内报警模块和Android报警APP两个部分组成。
报警模块使用MSP430低功耗芯片作为控制核心，通过极低功耗蓝牙4.0模块与Android设备通信；使用陀螺仪收集使用者运动趋势作为使用者是否倒地的依据；电源部分使用微型充电电池，搭配压电陶瓷充电电路，将使用者走路时的动能转换为电能并为电池充电，延长了电池的使用时间；外部电路还提供一个按键，使用者用脚跟重压该按键可以实现主动报警。
系统结构如图1所示。

　　系统主要功能如下：
　　APP在Android系统后台开启一个线程与鞋内报警模块通过蓝牙保持实时连接，如果连接意外中断，APP每隔固定时间尝试搜寻指定蓝牙模块，保证连接的正常。

　　使用者需要使用APP绑定一个或多个指定的邮箱和手机号，只有绑定成功才能使用系统报警功能，如果没有绑定，APP会不断弹出警告信息。

　　当APP与报警模块正常连接之后，APP在指定时间内记录用户GPS位置，报警模块通过陀螺仪搜集用户状态。
触发报警信号包括两种情况：
　　1） 按键按下的事件超过报警阈值；
　　2） 用户处于摔倒状态且APP与电子鞋脱离连接。
当满足这两个条件中的其中一个时，Android APP将会向指定的邮箱发送邮件，向绑定的联系人发送短信，并拨打110报警电话。
2 电子鞋报警模块设计
　　2.1 硬件设计
　　报警模块硬件主要由以下5个部分组成：MSP430控制芯片；蓝牙4.0通信模块；MPU?6050陀螺仪模块；压电陶瓷充电电路与微型充电电池组成的电源供电模块；报警按键。

　　选用德州仪器公司的MSP430作为控制芯片，主要是因为其具备的超低功耗特性。
在正常工作状态下仅仅消耗1.2 mA，待机时功耗更是忽略不计。
仅仅16 mm2的封装，更有利于整个模块的PCB设计[2]。
蓝牙4.0模块同样具备以往产品不具备的低功耗特性，其功耗[3]仅为前代产品蓝牙3.0的[14]。

　　MPU?6050陀螺仪模块自带加速度传感器，用于检测使用者是否摔倒，该模块通过陀螺仪、加速度传感器不断采集角速度和加速度，根据朴素贝叶斯算法推算出判定摔倒状态的阈值，从而有效地检测摔倒事件的发生。
陀螺仪电路如图2所示[4]。

　　作为可穿戴设备，电源部分的设计显得尤为重要。
模块内部摒弃了使用一广东深圳专业医疗设备研发工业产品设广东深圳专业医疗仪器设备外观工业产品设计问诊移动医疗计论产品设计中人性化需求次性纽扣电池作为模块供电的方案，而是考虑到电子鞋相较于手环、手表等可穿戴设备的不同之处，特别地使用压电陶瓷收集和转化使用者移动过程中产生的机械能，再通过充电电路将转化后得到的电能给电池充电。
模块内部没有使用一次性电池，对环境的保护也起到了积极的作用。
值得注意的是，2片压电陶瓷片并联所产生的电量对于整个模块的电量消耗是相当微弱的，因此压电陶瓷是辅助的电量提供者，作用仅仅是延长电池使用时间，而充电电池仍然需要摘下充电。
报警按键通过弱上拉与MSP430相应管脚连接，其安装的位置为鞋跟部，使用者通过重压鞋跟部超过设定的时间阈值，可以实现主动报警[5]。
压电陶瓷充电电路如图3所示[6]。

　　2.2 软件设计
　　模块主要具备如下两个主要功能。

　　1） 报警按键按下的时间超过报警时间阈值时，MSP430通过蓝牙模块向手机发送报警信号。
时间阈值不是固定的，使用者可以根据自己的喜好通过APP更改设定，系统默认的时间为3 s。

　　2） 陀螺仪检测到使用者摔倒之后，MSP430控制芯片通过蓝牙模块向手机发送用户倒地信号。
Android端接收到该信号之后，在设定的时间内，如果手机与电子鞋失去连接，将触发报警功能。
在使用者受到侵害时，倒地的几率较大，因此将检测使用者是否摔倒作为报警条件之一。
陀螺仪通过采集使用者足部加速度和角度变化来判定使用者是否摔倒，文献[7]提出，下躯干部位虽然质量较为集中，但是活动较多，运动过程与摔倒过程差别较小，不适合用于数据获取。

　　但考虑到检测摔倒并不是该系统的重点，对比表1～表3中的数据，行走?跑动状态与行走?摔倒两个状态获取的加速度和角速度无大差异，但与行走?行走状态之间的差异是巨大的。
因此，如果使用者突然由相对平稳状态转变为剧烈运动状态[8]，那么模块会判定当前处于摔倒状态，但APP接收到摔倒信号后并不直接完成报警行为，而是等到满足Android设备与电子鞋失去连接这个条件时才会执行相应操作。
加入两个特定条件的判定，将大大减少系统的误报率。
3 Android报警APP设计
　　APP接收电子鞋发来的信号，分析信号并做出相应的行为。
电子鞋发送的信号总共有两种：一种是明确的报警信号；另一种是使用者摔倒信号。
两种信号的帧格式如表4所示。
对于第一种信号，APP不做处理，直接进行报警；第二种信号，APP先检测当前是否能够连接到电子鞋，如果与电子鞋断开连接，则直接进行报警。
下面着重描述蓝牙连接功能和报警行为功能的设计。

　　3.1 蓝牙连接功能设计
　　电子鞋与APP通过蓝牙连接，相互通信，一旦蓝牙断开连接，报警设备将无法实现所有功能，因此保证系统内部的蓝牙处于连接状态显得尤为重要。
在APP中开启一个独立的子线程，该线程定时采集当前蓝牙状态[6]，当电子鞋与APP连接中断且没有接收到摔倒信号时，Android设备作为蓝牙主端，定时搜索周边蓝牙设备，并匹配指定的蓝牙地址。
如果匹配不成功的次数超过设定值上限（系统默认为3）或者无法搜索到指定设备，那么系统认定当前电子鞋与Android设备脱离了连接范围，将向绑定的联系人发送设备丢失短信，以帮助使用者快速找到Android设备[9]。

　　3.2 报警功能设计
　　报警功能包含三个部分：向已绑定的�系人发送短信，向已绑定的邮箱发送邮件，拨打110报警电话，三个行为依次执行。
首先，APP通过调用startIntent方法将包含有使用者当前GPS位置信息的报警信息发送给指定的联系人，如果短信发送失败超过设定的次数（系统中默认为3），那么就跳过该行为，转而执行下一行为发送邮件，继而是拨打报警电话[10]。
报警流程图如图4所示。
4 系统测试
　　系统测试在南通大学创新实验室内进行，Android设备为魅族MX5。
测试时已经将所有模块集成到长8 mm，宽5 mm的PCB单层板中嵌入鞋内部，打开APP软件连接电子鞋，设置相关选项后即完成初始化工作。
硬件测试电路如图5所示。

　　初始化工作完成后，依次测试APP GPS定位功能、短信发送功能、邮件发送功能和拨打报警电话。
APP测试界面如图6所示。

　　紧接着完成Android设�溆氲缱有�联合调试。
主要测试如下两个功能：重压鞋跟1 s，2 s，3 s，每个时间段测试15次，每个阶段5次，接收报警信号的成功率如表5所示。
测试Android设备在接收到摔倒信号和没接收到摔倒信号两种前提下，脱离连接范围时是否误报，两种情况每个测试15次，分为三个阶段，每个阶段测试5，APP误报率如表6所示。

　　在无较强信号干扰的情况下，接收到报警信号成功率达到100%，APP误报率为0%，APP能较好地对信号进行判断并完成相应的功能，测试结果表明该系统具备低功耗，实时性和可靠性强等特点。
5 结 语
　　针对易受到侵害的弱势群体，本文设计了一套基于Android系统的可穿戴报警设备，该设备不断检测使用者当前所处的状态，特别是在使用者突然遇到危险时，能及时有效地发送报警信号，为实施营救赢得了宝贵的时间。
在经过反复多次的测试后得出，该系统具备良好的低功耗、实时性和可靠性，识别危险情况准确，具备一定的市场应用价值。

　　项目设计方案荣获全国大学生物联网技术与应用“三创”大赛创意设计组一等奖。
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