基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器

邱亮 千博

摘要：鑒于現(xiàn)階段老人跌倒報警器在攜帶等方面存在的問題，提出了一種利用陀螺儀、加速度計以及磁力計等慣性傳感元件設(shè)計的跌倒報警器，文章分別從原理、結(jié)構(gòu)組成與軟件設(shè)計三個方面對跌倒報警器的研究過程展開詳細(xì)論述，最后通過實(shí)驗測試，驗證了所設(shè)計的跌倒報警器在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)Φ惯M(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

關(guān)鍵詞：慣性傳感技術(shù)；跌倒檢測；姿態(tài)解算；卡爾曼濾波器

0 引言

隨著社會老年化的加重，老人獨(dú)居現(xiàn)象越來越普遍。不論對于家人，還是對于社會來說，老人健康都是一個急需解決的問題。老人由于身體各個部分的功能都在退化，因而很容易發(fā)生跌倒，而跌倒的發(fā)生將會對老人的身心造成無法估量的傷害。所以對老人的跌倒進(jìn)行檢測，研究跌倒報警器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；谏鲜鲈颍疚脑O(shè)計了一種可穿戴于腰部的跌倒報警器，跌倒檢測裝置內(nèi)部有加速度計、陀螺儀和磁力計等慣性傳感元件，可以實(shí)現(xiàn)對老人跌倒的檢測，讓發(fā)生跌倒的老人可以及時得到醫(yī)療救援，降低跌倒對老人造成的傷害。

1 跌倒報警器研究現(xiàn)狀

跌倒報警器裝置是以無線對講系統(tǒng)作為基礎(chǔ)條件研發(fā)的新型裝置，但就目前跌倒報警器設(shè)計情況來說，設(shè)計者忽視了老人掌握現(xiàn)代化產(chǎn)品熟練程度。老人由于操作能力與視力逐漸下降，應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)備難度較高。同時，老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度驚嚇，無法正確操作跌倒報警器。隨著科學(xué)技術(shù)水平顯著提升，慣性傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，尤其是近年來在跌倒檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，大大的降低了跌倒報警器的研發(fā)成本。慣性傳感技術(shù)在跌倒檢測應(yīng)用中主要承擔(dān)兩方面工作，一方面是對老人日常行為進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，另一方面是利用相關(guān)姿態(tài)解算算法分析判斷跌倒行為的發(fā)生。

2 跌倒報警器的工作原理

老人由于身體機(jī)能的衰退，容易失去平衡而發(fā)生跌倒。在老人身體跌倒的那一瞬間，老人的身體產(chǎn)生了向下的重力加速度，身體各個部位的加速度也會發(fā)生不同程度的變化。為了能夠方便對人體跌倒時各種變量的描述，必須建立空間坐標(biāo)系。假設(shè)，以人體作為原點(diǎn)，將人體前后方向看成X軸，左右方向看成Y軸，人上下方向看成Z軸。人在實(shí)際運(yùn)動過程中，所產(chǎn)生的加速度是由于人體運(yùn)動姿態(tài)瞬間發(fā)生變化而產(chǎn)生的。在老人跌倒的過程中，慣性傳感元件將會檢測到加速度值和身體傾斜角值，通過分析加速度和角度的變化情況可以判斷出入體發(fā)生跌倒。

慣性傳感技術(shù)主要作用就是通過對老人生活行為進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，分析判斷出跌倒行為的發(fā)生。圖1是跌倒報警器系統(tǒng)的原理圖，MPU6050六軸傳感器模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計，通過12C接口連接STM32，根據(jù)傳感器不同的地址信息分別讀取MPU6050的角速度值和加速度值，然后利用四元數(shù)算法和姿態(tài)控制算法分析老人身體姿態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)。

3 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器硬件設(shè)計

跌倒報警器由五部分構(gòu)成：單片機(jī)、通信模塊、檢測單元、發(fā)射模塊、家庭電話。中心數(shù)據(jù)處理模塊主要由兩部分構(gòu)成，分別為單片機(jī)與通信模塊。通過完成對傳感器信號的整合處理操作，實(shí)現(xiàn)跌倒判斷。

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

在對單片系統(tǒng)硬件電路設(shè)計上，主要由四部分構(gòu)成，分別為時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路與BDM接口。不同子系統(tǒng)所具有的功能分別為：

1）時鐘電路在應(yīng)用中，可以為單片機(jī)提供晶振：

2）電源電路所提供的電源電壓為5V，可以為單片機(jī)運(yùn)行提供穩(wěn)定電壓保證：

3）復(fù)位電路在系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常情況下，向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號：

4） BDM接口可以為用戶提供專門接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)下載與調(diào)試等操作。

3.2 無線通信模塊電路設(shè)計

通信模塊電路主要承擔(dān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送與接收任務(wù)，同時還可以與讀卡器、連接器相連接。通信模塊電路所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在單片機(jī)操作指令作用之下，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息雙向傳輸，讀取PDU與Text格式信息。本文應(yīng)用的無線通信模塊芯片型號為PSoC27443，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跌倒報警器無線通信功能。無線通信模塊電路設(shè)計如圖3所示。無線通信模塊采取編程排列方式，一旦其中一個元器件出現(xiàn)破損情況，可以隨時對其進(jìn)行更替。

3.3 陀螺儀和加速度計模塊

陀螺儀通常被用來檢測物體旋轉(zhuǎn)的角速度值。本文在設(shè)計跌倒報警器度過程中一共運(yùn)用了兩個陀螺儀，分別用來檢測老人前后站立角度與側(cè)向站立角度。加速度計被用來檢測物體由地球引力作用所產(chǎn)生的加速度值。本文選用了飛思卡爾公司所生產(chǎn)的慣性傳感器MPU6050，該型號的傳感器具有體積相對較小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。圖4為加速度計與陀螺儀兩者結(jié)構(gòu)結(jié)合示意圖，為了能夠排除老人假摔，降低了對老人跌倒的誤判，傳感器內(nèi)的卡爾曼系數(shù)采取可調(diào)節(jié)形式。

4 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 主要程序

跌倒報警器系統(tǒng)軟件部分一共由三部分構(gòu)成，分別為傳感模塊、控制模塊與報警模塊。首先，跌倒報警器需要初始化設(shè)置，初始化設(shè)置完畢之后，再檢測是否有發(fā)送短消息，如果有，則根據(jù)跌倒報警器的指示執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果沒有，則檢測傳感信號，若有傳感信號，則根據(jù)指示做進(jìn)一步的處理；如果沒有，則檢測是否有傳感器信號，若有，則根據(jù)信號進(jìn)行相應(yīng)地操作；如果沒有，則返回初始狀態(tài)，進(jìn)行下一次檢測，如此循環(huán)往復(fù)。主程序流程如圖5所示。

4.2 短信息的編碼解析

目前，短消息模式主要有Text模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU （protocol data unit）模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信：而PDU模式不僅支持英文短信，也能發(fā)送中文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼方式：

1）7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符；

2）8 bit編碼通帶用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息；

3） UCS2編碼用于發(fā)送16位Unicode字符。

為了支持中文短信的收發(fā)，本系統(tǒng)采用PDU編碼模式。最終設(shè)計的基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器如圖65基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器的測試

跌倒報警器采用六軸運(yùn)動傳感器檢測人體跌倒，采用GPS和基站定位（LBS）相結(jié)合的定位方式實(shí)時跟蹤老人運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)跌倒報警，軌跡查詢等功能，同時還具有一鍵SOS呼救功能，具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，圖7顯示的是跌倒報警器的外觀圖。

測試者按照圖8佩戴好跌倒報警器后，在平穩(wěn)的道路上正常行走，通過模擬向前跌倒、向左側(cè)跌倒和向右側(cè)跌倒3鐘跌倒姿勢進(jìn)行跌倒檢測實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果驗證了方案的可行性和準(zhǔn)確性，所設(shè)計的基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器能夠準(zhǔn)確的檢測到跌倒的發(fā)生。

6 結(jié)論

本文針對老人摔倒后果的嚴(yán)重性，設(shè)計了一種基于慣性傳感技術(shù)的老人跌倒報警器。由于結(jié)合了現(xiàn)代智能手機(jī)，報警器具有裝置小巧、攜帶方便的特點(diǎn)，適用于經(jīng)常單獨(dú)活動的老人。具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣泛的應(yīng)用前景和廣闊的市場。

參考文獻(xiàn)：

[1]尤若寧，莊偉萍一種可穿戴式跌倒檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計[J]中國醫(yī)療設(shè)備.2017.32（08）：28-32

[2]李芊宇，孟繁盛，周文龍，等基于單片機(jī)的浴室跌倒報警系統(tǒng)[J]電子制作，2017（12）：11-12

[3]章雅杰，鐘初雷預(yù)防跌倒離床報警器的研制與應(yīng)用[J]解放軍護(hù)理雜志.2016.33（11）：74-76

[4]肖二寧，張興明，李康士，等基于Arduino單片機(jī)的便攜式老人跌倒報警系統(tǒng)設(shè)計[J]電子設(shè)計工程，2016，24（09）：150-152

[5]宋強(qiáng)跌倒報警領(lǐng)域?qū)＠暾埛治鯷J]中國新通信.2015.17（13）：70-70

[6]李慧奇，梁丁，寧運(yùn)琨，等一種防跌倒預(yù)警系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]集成技術(shù)，2014，3（01）：46-54

[7]王劍基于MEMS三軸加速度計的跌倒檢測電路的設(shè)計[J]自動化技術(shù)與應(yīng)用，201 3，32（06）：81-84108