基于MMA7660加速度傳感器的老人跌倒檢測裝置

目前，跌倒檢測所用的關(guān)鍵部位分為機械式和電子式兩種。機械式則是通過一個傾斜角度開關(guān)，當開關(guān)處于某一傾斜角度時，開關(guān)會自動接觸閉合產(chǎn)生一個脈沖，內(nèi)部處理器通過判斷脈沖來判斷是否傾斜達到判斷跌倒與否，但這一脈沖的不穩(wěn)定性造成了機械式的準確性和靈敏度很低的缺點，而且國內(nèi)的傾斜開關(guān)的傾斜角度很難滿足真正的老人跌倒檢測。而電子式基于傳感器的則可以盡量避免此種缺陷。

一、跌倒判斷及模型建立

跌倒一般可以理解為人體在無意識情況下，由站立姿態(tài)向躺倒姿態(tài)的大幅度轉(zhuǎn)變，在這一轉(zhuǎn)變過程中重力將成為影響這一運動過程的主要因素。所以，在跌倒發(fā)生時，各方向上的加速度都會隨之變化，這是判斷的最初依據(jù)，此外還有位移、角度等輔助因素也都會發(fā)生變化作為判斷依據(jù)。

分析人體各部位加速度測量值可知，加速度范圍變化按大到小依次為腳踝、腰部、頭部，而腰部的水平分量一般在-0.3g～0.4g，豎直方向上分量則在0.9g以上，與頭部相比較受干擾的影響較小，而腳踝由于平時活動中的沖擊和擺動幅度較大，所以易產(chǎn)生噪聲從而不利于加速度值的采集。所以將裝置佩戴在腰部，另外對于坐標系的選取，由于要投影到某一平面求取相應(yīng)的加速度值，故選取直角坐標較為方便計算。人體佩戴部位及坐標系：取人體的左右側(cè)為X軸方向；取人體的前后側(cè)為Y軸方向；取人體站立水平地面時垂直于地面的方向為Z軸方向，建立空間直角坐標系。

二、MMA7660FC

加速度傳感器采用飛思卡爾的MMA7660FC芯片。MMA7660FC是一個數(shù)字輸出（I2C），超低功耗（電壓僅2.4v-3.6v，待機模式下電流僅2uA），緊湊型電容式微電機加速計，集成3軸±1.5gMEMS和CMOS接口控制器在同一個封裝內(nèi)。它具有低通濾波器，0g偏移和增益誤差補償，6bit分辨率，用戶可配置輸出速率等。該器件還可通過中斷引腳（INT）提供傳感器數(shù)據(jù)變化、產(chǎn)品方向和姿態(tài)識別等中斷。此外，采用非常小巧的3mm*3mm*0.9mmDFN封裝，充分節(jié)省板上空間。

三、硬件電路

跌倒檢測的硬件結(jié)構(gòu)如下：它由電源模塊、加速度傳感器模塊、單片機控制模塊、無線傳輸模塊組成。

電源模塊采用DC-DC升壓芯片MAX1674將1.5V電壓升至3.3V提供給各模塊使用；三軸加速度傳感器負責實時測量人體的XYZ方向的加速度，將加速度值傳輸給MCU；STM8L101負責將采集的加速度值經(jīng)過跌倒判定算法將結(jié)果輸出給無線傳輸模塊、報警器；無線傳輸模塊負責將判定結(jié)果傳遞給安防系統(tǒng)的接收器，如圖1所示。

四、軟件部分

本系統(tǒng)所采用的跌倒判定算法是基于人體跌倒過程中各方向上加速度值的變化、跌倒過程中人體豎直方向（人體坐標Z軸即加速度傳感器中Z軸）與地面的傾斜角度的變化，以及摔倒瞬間能量的突變。

在閾值選擇方面，系統(tǒng)選取e=x2+y2+z2姨，其中xyz分別為傳感器所檢測到的加速度經(jīng)過中值濾波后的值，在人體垂直站立于水平地面時可知，水平方向上合加速度e=x2+y2姨

=0，豎直方向為g，經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析，得到e=1.2g，當e>1.2g時，程序進入下一步判斷具體算法流程如圖2所示：

五、結(jié)論

在實際測試中，實驗人員模擬老年人走路的頻率和姿態(tài)，因為這里我們假定的是老年人先以一定的初速度行走，所以在跌倒過程中閾值e才會大于g，另一種是初速度為0的情況即人體不動就跌倒，此情況下經(jīng)測試合加速度的值總小于g，此次不采用這種情況。在進行實際的跌倒檢測時，人體佩戴該系統(tǒng)在腰部正常行走時未出現(xiàn)報警，當人體模擬摔倒時報警的正確率為90%以上，沒有出現(xiàn)報警的可能性在于：（1）采集的加速度值帶有系統(tǒng)噪聲；（2）因為設(shè)定的閾值也是由實驗數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗判斷，可能在分次的試驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象未在閾值設(shè)定范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)作為家庭安防系統(tǒng)的一個部分，針對老年人活動的特點，利用三軸加速度傳感器作為測量工具，利用多級判斷算法，盡量避免誤報和漏報等現(xiàn)象，整個系統(tǒng)在力求判斷的準確性、實時性上時也充分考慮到了電源功耗的問題，采用超低功耗的控制芯片作為主控，對于以后投入實際生產(chǎn)中將會產(chǎn)生關(guān)鍵意義。