基于九軸傳感器的老年人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　梁高生

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基于九軸傳感器的老年人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院梁高生

在不斷增長(zhǎng)的人口和老齡化加劇，壽命延長(zhǎng)和慢性疾病發(fā)病率增加等許多因素作用下，越來越多的家用便攜式監(jiān)護(hù)儀進(jìn)入了公眾們的視線，特別是監(jiān)護(hù)儀在醫(yī)用和家用這兩個(gè)方向的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)跌倒成為了老年人意外死亡的主要原因。針對(duì)我國空巢老人人數(shù)的不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)老年人的跌到檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用九軸傳感器對(duì)加速度、角速度和陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷采集，然后把數(shù)據(jù)傳給主控芯片進(jìn)行分析處理，從而判斷出老年人是否發(fā)生跌倒，再通過GPS和GSM進(jìn)行精確定位，然后把這些數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，從而進(jìn)行快速的救治。

跌倒檢測(cè)；九軸傳感器；加速度；角速度；陀螺儀

1　引言

老年人跌倒檢測(cè)指的是當(dāng)老年人摔倒過程中，加速度和角速度發(fā)生很大的變化，在地上時(shí)，身體的姿態(tài)發(fā)生變化。通過對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理，從而檢測(cè)出老年人發(fā)生了跌倒情況。當(dāng)老年人意外跌倒時(shí)，可以得到有效快速的治療，為老年人的身體健康加上一層保護(hù)層。

目前，我國老年人人數(shù)的不斷增加，而老年人的身體狀況也成為了一個(gè)比較嚴(yán)峻的課題，跌倒是危害老年人健康的主要原因，采用什么措施對(duì)老年人的跌倒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也迫在眉睫，本系統(tǒng)利用先進(jìn)的九軸慣性傳感器（三軸加速度、三軸角速度和三軸陀螺儀傳感器）實(shí)時(shí)采集人體活動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析融合后提取特征向量，經(jīng)過跌到算法檢測(cè)老年人是否跌倒，若發(fā)生跌倒，則通過報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并把這一情況實(shí)時(shí)的，快速的發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，通過GPS和GSM獲得此時(shí)的準(zhǔn)確位置，使監(jiān)護(hù)人可以第一時(shí)間獲得老年人的位置，進(jìn)行第一時(shí)間的救治。此系統(tǒng)也為老年人的跌倒檢測(cè)提供了一種新思路。

2　整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)硬件整體框架

系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由主控制器模塊、慣性傳感器模塊、通信定位模塊、電源管理模塊、用戶按鍵和蜂鳴器構(gòu)成。

九軸傳感器模塊上的三軸角速度傳感器、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器負(fù)責(zé)采集人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，傳輸給主控制器；主控制器控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行跌倒檢測(cè)算法處理；報(bào)警蜂鳴器和用戶按鍵通過I/O口接入主控芯片；具有GPS/ GSM通信定位功能的SIM808模塊由主控制串口發(fā)送命令控制；電源管理模塊為系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供供電，并為鋰電池充電。

3　硬件電路設(shè)計(jì)

3.1主控制器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)側(cè)重于便攜，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)，經(jīng)過分析，STM32L151RBT6具有高集成度和低功耗等優(yōu)勢(shì)，具有3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，其操作頻率可達(dá)32MHz。STM32微控制器外設(shè)非常豐富，集成了大部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的全部外圍設(shè)備，并且功耗低，性能高，能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，因此系統(tǒng)的主控芯片選用了該微控制器。

3.2定位單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的定位采用GPS+GSM組合定位，GSM模塊要用到的是它的短消息功能，利用短消息將GPS定位信息發(fā)送給手機(jī)或PC機(jī)。在緊急情況下，系統(tǒng)自動(dòng)將GPS定位信息以短信方式發(fā)送給監(jiān)護(hù)手機(jī)，確保監(jiān)護(hù)人能及時(shí)知道老年人的位置。并且監(jiān)護(hù)手機(jī)也可以發(fā)送短信到MCU來獲取老年人的位置。

3.3跌倒檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Invensense的九軸傳感器MPU9250來采集人體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。MPU9250的具有三個(gè)16位加速度AD輸出，三個(gè)16位陀螺儀AD輸出，三個(gè)6位磁力計(jì)AD輸出。精密的慢速和快速運(yùn)動(dòng)跟蹤，提供給客戶全量程的可編程陀螺儀參數(shù)選擇（±250，±500，±1000，and±2000° /秒（dps）），可編程的加速度參數(shù)選擇±2g，±4g，±8g，±16g，以及最大磁力計(jì)可達(dá)到±4800uT。此外，還有可編程的數(shù)字濾波器，40-85℃時(shí)帶高精度的1%的時(shí)鐘漂移，嵌入了溫度傳感器，并且?guī)в锌删幊讨袛啵С諷PI通信，通過SPI通信與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過采集模塊上的加速度傳感器和陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，分析后獲得人體的姿態(tài)狀態(tài)，從而判定老年人的身體狀況，得出是否跌倒。

4　系統(tǒng)軟件程序框架

系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示，系統(tǒng)上電后首先對(duì)各個(gè)設(shè)備模塊進(jìn)行初始化，包括GPIO、SPI、串口、中斷定時(shí)器、慣性傳感器以及GPS等。然后讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析，判斷是否有跌倒行為。若無，則重入數(shù)據(jù)讀取流程；若發(fā)生跌倒事件，設(shè)備馬上通過蜂鳴器發(fā)出聲音警報(bào)，若用戶十秒內(nèi)沒通過按鍵關(guān)閉警報(bào)，設(shè)備通過短信通知監(jiān)護(hù)人的同時(shí)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)及位置信息上報(bào)至遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于九軸傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，不但可以準(zhǔn)確快速的判斷老年人的跌倒?fàn)顩r，而且可以快速實(shí)時(shí)的把數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，使老年人在跌倒時(shí)，得到快速的救治。經(jīng)過測(cè)試，這個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，可以完成對(duì)老年人的跌倒檢測(cè)，并把數(shù)據(jù)快速的發(fā)給監(jiān)護(hù)人。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為老年人跌倒檢測(cè)方面的研究貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。

［1］王剛.基于多傳感器的可穿戴跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京工業(yè)大學(xué)，2015.

［2］臧楠.老人跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安電子科技大學(xué)，2013.

［3］孫新香.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.上海交通大學(xué)，2008.

［4］王曉萌.基于ARM的老年人跌倒與連續(xù)血壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.蘭州理工大學(xué)，2013.

［5］Li Q，Stankovic J A，Hanson M A，et al.Accurate，F(xiàn)ast Fall Detection Using Gyroscopes and Accelerometer-Derived Posture Information［C］. Wearable and Implantable Body Sensor Networks，2009.BSN 2009.Sixth International Workshop on.IEEE，2009:138-143.

［6］徐亞龍.基于三軸加速度的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.廣西大學(xué)，2015.

［7］Zhengming F，Delbruck T，Lichtsteiner P，etc.An Address-Event Fall Detector for Assisted Living Applications［J］.IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2（2）:88-96.

梁高生（1900—），男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向：醫(yī)療器械設(shè)備與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。