基于MSP430F149 單片機(jī)的腕帶式摔倒檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

仲小英ZHONG Xiao-ying

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，太倉 215400）

（School of Electrical Engineering，Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology，Taicang 215400，China）

0 引言

目前，中國正經(jīng)歷史上規(guī)模最大、速度最快的老齡化進(jìn)程，獨(dú)居老人的數(shù)量也越來越多。隨著老人自身保護(hù)能力的下降，經(jīng)常會發(fā)生獨(dú)居老人意外跌倒而未能及時(shí)救助從而造成嚴(yán)重后果的現(xiàn)象，這也成為了很多子女的顧慮。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，其實(shí)多數(shù)嚴(yán)重后果并非源自摔倒本身，而是在于摔倒后未能及時(shí)救助處理，如果在摔倒后第一時(shí)間通知到救護(hù)人員救助，則可大大降低摔倒后的危險(xiǎn)程度。

為使老人在摔倒后能得到及時(shí)救助，減少意外發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430F149 單片機(jī)的腕帶式摔倒檢測系統(tǒng)，老人平時(shí)將其帶在手腕上，自動識別老人是否摔倒，避免誤判、誤報(bào)警，通過系統(tǒng)分析，做出正確的判斷，第一時(shí)間通過短信通知家人，為老人摔倒后提供必要的幫助。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三軸加速度傳感器ADXL345 和MSP430F149 單片機(jī)連接完成居家老人的摔倒檢測，通過ADXL345 加速度傳感器來實(shí)時(shí)檢測老人行動時(shí)三個(gè)軸向的加速度，然后由MSP430F149 單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷老人是否發(fā)生摔倒情況，一旦發(fā)生摔倒現(xiàn)象，則第一時(shí)間通過GSM 短信告知家人。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 系統(tǒng)控制模塊 本系統(tǒng)的核心控制模塊采用了美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149 單片機(jī)?？紤]到設(shè)備使用的方便性，此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采取腕帶式設(shè)計(jì)，方便老人日常攜帶，但對于終端設(shè)計(jì)的空間上來講會卻會受到一定的限制，由于MSP430 單片機(jī)內(nèi)部集成了許多高性能模塊，高集成度使芯片體積很小，而且生產(chǎn)成本低價(jià)格便宜，故采用其作為本系統(tǒng)的核心控制模塊。通過該模塊完成對ADXL345 加速度傳感器所采集的信號綜合處理分析來判斷摔倒?fàn)顟B(tài)并決定是否發(fā)出求助報(bào)警信號。

在MSP430F149 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，由于其自身已集成了數(shù)字控制振蕩器，故在時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)上外圍只需設(shè)計(jì)高低頻晶體振蕩器兩部分電路，其中低頻晶體振蕩器采用了32.768kHz 貼片晶振，使低頻晶體振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式；高頻晶體振蕩電路為系統(tǒng)的第二振蕩器，采用了8MHz 的高頻晶振，主要為系統(tǒng)在高頻模式下工作時(shí)提供時(shí)鐘。

復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，其性能決定了系統(tǒng)運(yùn)行過程中若出現(xiàn)“死機(jī)”或“程序跑飛”等現(xiàn)象時(shí)，通過復(fù)位是否能及時(shí)使單片機(jī)從錯(cuò)誤中恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中采用了上電復(fù)位，通過100k 的上拉電阻和0.1uf 的電容來保證上電時(shí)RST 管腳的高電平。但是由于MSP430F149 單片機(jī)的超低功耗的特點(diǎn)，其在斷電后馬上上電會出現(xiàn)系統(tǒng)中電容存儲的電荷來不及完全釋放從而導(dǎo)致復(fù)位失敗的現(xiàn)象，故在設(shè)計(jì)中通過在電阻兩端增加了一個(gè)二極管IN4008 來快速放電，從而提高復(fù)位電路的可靠性。

1.2 三軸加速度傳感器ADXL345 模塊 ADXL345 是目前運(yùn)用較廣的一種MEMS 三軸加速度傳感計(jì)。其內(nèi)置的運(yùn)動狀態(tài)檢測功能和中斷系統(tǒng)，幾乎無需具體加速度數(shù)值，從而最大限度地降低了算法的復(fù)雜程度。由于老年人的動作相對較慢，在正常步行動作中，加速度變化并不是很明顯（如圖2 中4 的區(qū)域變化曲線所示）。而在老人發(fā)生摔倒現(xiàn)象時(shí)，其X、Y、Z 三軸的加速度變化波動較為厲害，會經(jīng)歷失重、撞擊、靜止三個(gè)過程（變化曲線如圖2 中1、2、3 區(qū)域所示）。

圖2 跌倒?fàn)顟B(tài)

本系統(tǒng)中手腕式摔倒檢測儀則利用這四個(gè)關(guān)鍵特性作為摔倒檢測的標(biāo)準(zhǔn)，從而來構(gòu)成整個(gè)摔倒檢測的算法。首先利用ADXL345 的失重中斷的發(fā)生來作為判斷老人是否摔倒的第一個(gè)依據(jù)。其次在失重中斷之后出現(xiàn)的撞擊中斷作為判斷老人是否摔倒的第二個(gè)依據(jù)。之后再將撞擊中斷之后是否發(fā)生靜止判斷作為老人摔倒的第三個(gè)判斷依據(jù)。而老人在摔倒之后，人體會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，x、y、z 這三軸加速度與跌倒前的初始狀態(tài)是不相同的，通過所采集的數(shù)據(jù)與初始狀態(tài)進(jìn)行分析，若超過一定的范圍，則可判斷老人發(fā)生摔倒現(xiàn)象。本系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)中，ADXL345 加速度傳感器與MSP430 之間采用的是4 線SPI 的通信方式。通過在電源引腳連接上0.1uf 的電容和1uf 的電容來對加速度傳感器ADXL345 進(jìn)行充分的去耦，如圖3 所示。

圖3 加速度傳感器摔倒檢測模塊

1.3 GSM 模塊 該模塊設(shè)計(jì)的作用是將老人摔倒這個(gè)信息發(fā)送給自己的親人，便于親人在第一時(shí)間得知突發(fā)情況，采取措施及時(shí)救助，本設(shè)計(jì)選用了西門子公司研發(fā)的MC35 GSM/GPRS 無線通信模塊。在電路設(shè)計(jì)中，通過在電源輸入端并聯(lián)一個(gè)100uf 的旁路電容和一個(gè)0.1uf 的電容來保證電源電壓不低于3.3V，從而確保MCS 模塊能以最大功率工作；在SIM 卡的接口電路中，在MC35 模塊和SIM 卡之間通過串聯(lián)一個(gè)22Ω 的電阻來抑制雜散的電磁干擾。

1.4 電源模塊 考慮到系統(tǒng)使用的便捷性，本系統(tǒng)的電源供電采用了3.7V 的鋰電池。GSM 模塊的供電則通過在3.7V 的電源上外加濾波以及退耦電容而實(shí)現(xiàn)；另外，由于MSP430F149 單片機(jī)、ADXL345 加速度傳感器供電需要3.3V 的電壓，故本設(shè)計(jì)中采用AME8827-3.3 穩(wěn)壓模塊來完成3.3V 電壓的輸出。AME8827-3.3 是一種低壓差線性穩(wěn)壓器，它的輸入電壓范圍為2.5-5.5V，可以固定輸出3.3V 的電壓，其外圍電路比較簡單，只需要在輸入端并聯(lián)一個(gè)1uf 的電容來抑制噪聲，提高電路瞬態(tài)響應(yīng)，輸出端并聯(lián)一個(gè)4.7uf 的電容來減少輸出噪聲和電路的負(fù)瞬態(tài)響應(yīng)。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖4 主控程序流程圖

本系統(tǒng)的工作流程是控制系統(tǒng)將ADXL345 模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果通過GSM 模塊發(fā)送到家人的手機(jī)上。MSP430F149 單片機(jī)在上電之后，各模塊終端初始化，單片機(jī)通過中斷的方式對各模塊進(jìn)行不斷的掃描，當(dāng)ADXL345 模塊通過四個(gè)依據(jù)判斷老人摔倒后，將此信息發(fā)送給MSP430F149單片機(jī)，單片機(jī)通過分析，開啟GSM模塊，將此信息發(fā)送到家人的手機(jī)上。主控程序流程如圖4 所示。

ADXL345 摔倒檢測算法流程圖如圖5 所示。通過單片機(jī)根據(jù)摔倒過程中四個(gè)關(guān)鍵條件來判斷是否摔倒報(bào)警。需要注意的是ADXL345 模塊中的中斷之間的時(shí)間間隔必須在一定范圍之內(nèi)。在一般的情況下，特別是FREE_FALL 中斷（失重產(chǎn)生的）與Activity 中斷（跌倒撞擊產(chǎn)生的）之間的時(shí)間間隔不能夠特別的長，除非從非常高的地方跌倒。類似地，Activity 中斷（沖擊）與Inactivity 中斷（靜止）之間的時(shí)間間隔也不應(yīng)過長，相關(guān)的中斷檢測閾值和時(shí)間參數(shù)可根據(jù)需要靈活設(shè)置。另外，如果跌倒導(dǎo)致昏迷等嚴(yán)重后果，人體保持靜止的時(shí)間會更長。這種狀態(tài)仍然可以通過Inactivity 中斷檢測到。因此，如果跌倒后檢測到Inactivity 狀態(tài)持續(xù)一定長的時(shí)間，則可發(fā)出緊急報(bào)警。

圖5 ADXL345 算法流程圖

3 結(jié)語

隨著“智慧養(yǎng)老”逐步走入人們的生活，摔倒檢測系統(tǒng)也將是推動智能化養(yǎng)老進(jìn)程中一個(gè)重要的部分。摔倒檢測系統(tǒng)是一種個(gè)人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)了老年人群的健康與安全，它可以有效檢測老年人是否發(fā)生跌倒并及時(shí)報(bào)警[6]。所以，摔倒檢測技術(shù)愈發(fā)地受到社會各界科研院所的重視。本系統(tǒng)解決方案通過ADXL345 硬件中斷實(shí)現(xiàn)，具有算法復(fù)雜度底、檢測準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)；同時(shí)將超低功耗單片機(jī)芯片MSP430F149 作為主控芯片實(shí)現(xiàn)摔倒檢測，價(jià)格低廉方便實(shí)用，可在生產(chǎn)上廣泛推廣應(yīng)用。

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