基于單片機和傳感器的跌倒檢測系統設計

孫夕陽,李冬梅

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京210094)

0 引言

當前傳感器、微電子機械、通信等高新技術已在生產、商務等領域廣泛應用,但是在改善老年人的生活品質方面利用率還不高。針對老齡化的日益加劇以及老年人的生活品質不高的問題,設計了一種跌倒檢測系統。檢測系統中的加速度傳感器模塊可以即時檢測老年人三個方向的加速度,加速度數據的采集與處理由主控制模塊(單片機)來實現,無線通信模塊(CDMA)發布報警信息。跌倒檢測系統的設計將大大減少老年人因跌倒而得不到救助的概率,保障老年人晚年的幸福生活。

1 總體設計

要設計一個跌倒檢測系統,首先需要對檢測系統進行總體設計,總體方案如圖1所示。該檢測系統由三大模塊組成:加速度傳感器模塊、主控制器模塊和無線通信(CDMA)模塊。采集被測對象加速度的加速度傳感器模塊采用MMA7260QT,該傳感器是一款三軸加速度傳感器,輸出模擬電壓信號。模擬信號輸出到主控制器模塊,經ADC轉換成數字信號,通過嵌入在高性能、低功耗單片機—MC9S08AC16芯片的跌倒檢測算法分析與計算,探測是否有跌倒發生。如果探測到有跌倒發生,就會促發報警功能,并啟動CDMA模塊進行定位及發布報警。

圖1 跌倒檢測系統總體設計

2 硬件設計

2.1 加速度傳感器模塊

本文選用MMA7260QT加速度傳感器,因為其高集成度、高精度且低能耗,這款傳感器是由飛思卡爾公司制造的。MMA7260QT可以檢測老年人三個方向上的加速度,反饋給系統,系統從而判斷出老年人姿勢是否處于跌倒狀態。

MMA7260QT中的G－Cell傳感器首先檢測三個軸的加速度,其次C/V變換器將其轉換成電壓,接著對信號進行放大與濾波,最后進行三個方向上的溫度補償后輸出電壓[1],圖2為傳感器內部結構功能框圖。

g－Select1與g－Select2管腳輸入一組邏輯電平,傳感器就具有一個敏感度與量程,因此MMA7260QT擁有四個檔位,詳細說明如表1所示。設計所需傳感器的外圍管腳比較少,除了g－Select1 與g－Select2 外,還有VDD、VSS、節約能耗的睡眠模式以及xyz三軸的輸出[2]。老人平時走路時的加速度一般不會超過1.5 g,所以設計的g－Select1與g－Select2的邏輯電平都設置為0。若遇到加速度超過1.5 g時,可以根據實際情況適當調整 g－Select1與 g－Select2的輸入邏輯電平。MMA7260QT的外圍管腳接線圖如圖3所示。

圖2 MMA7260QT內部結構功能框圖

表1 g－select管腳說明

圖3 傳感器外圍接線圖

2.2 主控制器模塊

基于HCS08內核的MC9S08AC16單片機是同類單片機中能耗低且集成度高的一款代表[3]。該單片機的功能比較齊全,但卻很經濟,其可編程的脈寬調制與定時器功能尤為突出。選用此單片機作為主控制模塊,主要是因為跌倒檢測系統的需要與單片機自身功能比較相近。

設計中,單片機外圍電路主要由電源與時鐘、數據緩存及按鍵電路三部分組成。設計采用Li電池供電,但由于系統所需電壓不一致,故電源部分還需配上電壓轉換電路來滿足系統的供電要求。數據緩存部分使用HT24LC32芯片,這種串行的EEPROM是由公司Holtek生產的。這種緩存器可以即時寫入,因為其微秒級的讀寫速度。此芯片最大可以存儲4 k字節,足夠跌倒檢測系統的數據緩存;使用單片機的I/O管腳可以輕易的完成按鍵電路的設計。

2.3 無線通信模塊

檢測系統中的無線通信模塊首先將報警信息轉換為數字信號,其次把該數字信號通過無線網絡傳遞,最后該信號將會被終端接收,接收人會根據報警信息來做出相應的處理。當然終端沒必要擔心無法區別發信人,因為傳輸中的數字信號編碼不同且互相之間沒有干擾[4]。

經過比較,系統選用的無線通信模塊為KC19CDMA,RF收發、串行接口以及SIM卡座等構成了此模塊。系統中的無線通信模塊主要由接受報警信息的服務終端和發送信息的客戶端組成,客戶端必須可以驅動此無線通信模塊成功發送轉換后的報警信息,而接收終端應該能夠對接受數據的地址及大小等信息分配不同的接受數據庫,為了明確接收端的地址,其必須有一固定的IP地址[5]。將中國電信的SIM卡插入無線通信模塊中的SIM卡座,該模塊才能真正工作。另外輸入AT命令,單片機能夠通過串行接口來實現無線通信模塊的不同功能。

3 軟件設計

軟件設計主要包括系統設置、數據采集、跌到檢測、無線通信控制以及報警處理,總體流程圖見圖4,限于篇幅,僅介紹軟件設計中的跌到檢測與無線通信控制。

圖4 軟件總體流程

3.1 跌到檢測

通過相關跌倒類型的研究[6]可以知道,跌倒類型主要可分為三類,簡單跌倒主要指加速度可表明跌倒及使用者最終平躺在地面;復雜跌倒指加速度運動復雜或使用者最終未能平躺在地面上;偽跌倒指跌倒報警但事實上未跌倒。故在設計跌到檢測系統時,必須對被測對象的跌倒進行判斷,判斷的依據是根據現實中跌倒類型所設計的檢測算法。

跌到檢測的程序流程如圖5所示,首先由加速度傳感器MMA7260QT采集三個軸的加速度,然后將采集所得的加速度與閾值相比較,接著判斷是否至少有一個軸的加速度超過閾值。若不超過,則繼續采集三個軸的加速度;若超過,則延時30 s。在延時過程中,判斷跌倒的類型,若是假跌倒,則繼續采集三個軸的加速度,若非假跌倒,則可以手動報警處理,也可以等待30 s延時后自動報警。

圖5 跌到檢測流程

3.2 無線通信控制

跌倒檢測系統啟動報警的目的就是希望得到必要的救援,這就涉及到報警信息的傳遞問題。救援首先需要知道受傷者的位置,選用KC19 CDMA模塊,并配以中國電信的SIM卡以及GPS定位模塊,來實現報警以及定位信息的傳送[7],其程序流程如圖6所示。無線通信模塊的控制是通過單片機的串口以AT命令的方式來實現的。

4 結語

以單片機和加速度傳感器為核心,結合CDMA的無信通信技術設計了一種跌倒探測儀,有效地降低了老年人因跌倒而未及時得到治療造成身體傷害的發生率,提高了老年人的生活品質,因此本設計具有較強的實用價值。未來,該檢測系統還可以加入一些其他信號的檢測模塊以輔助分析,如肌電信號、血壓信號以及體溫信號等等,進一步拓展檢測系統的功能。

圖6 無線通信模塊流程

[1]MMA7260QT:3軸加速度傳感器數據手冊[EB/OL].(2008-03)[2013-07].http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/data＿sheet/MMA7260QT.pdf?pspll＝1.

[2]狄亮.基于加速度傳感器MMA7260QT的自動搖籃的設計[J].世界電子元器件,2008,(2):94-97.

[3]MC9S08AC16:MC9S08AC8,MC9S08AW16A,MC9S08AW8A數據手冊[EB/OL].(2008-09)[2013-07].http://cache.freescale.com/zh-Hans/files/microcontrollers/doc/data ＿ sheet/MC9S08AC16.pdf?fsrch＝1＆sr＝2.

[4]Xiong S K,Li W Y,Lin Y L,Lin H H.Development and evolution of CDMA mobile network[J].Telecommunications Science,2010, 26(5):8-10.

[5]周國順,姚玉斌.基于CDMA模塊實時無線數據傳輸的設計[J].微計算機信息,2009,25(5):5-6.

[6]Shea J.An Investigation of Falls in the Elderly[EB/OL].(2005-07-25)[2013-07-23].http://www.signalquest.com.

[7]賀雨璇,陳潤,朱特,等.MSP430的地震檢測報警系統[J].電子測量技術,2009,32(7):78-80.