可穿戴式跌倒檢測與預警系統研究

曲鳳娟

（北華航天工業學院，河北 廊坊065000）

0 引言

人口老齡化己成為一個世界性的問題。我國早在1999年就已經進入老齡化社會。老年人占總人口的比重在持續攀升之中，空巢老年人家庭也占了相當大的比例。如何更好的贍養老人已成為社會難題。除了可能的各種疾病外，老年人在日常生活中跌倒的發生率也非常高,是老年人傷殘和死亡的主要原因之一。當老年人跌倒時，若能夠得到及時的救助，那么可以減少傷痛帶來的痛苦，甚至可以避免死亡。可穿戴式跌倒檢測與預警設備能夠在佩戴者發生跌倒后及時報警，接到報警的救助人員可采取相應措施盡快實施救助，即使身邊無人的情況下也能得到及時救助。

1 可穿戴式跌倒檢測與預警系統結構設計

1.1 系統結構

本系統主要分兩部分：一部分是人體運動采集和分析模塊，包括主處理器、三軸加速傳感器、陀螺儀和藍牙通信模塊，這部分佩戴在人體的腰部；第二部分是報警和定位模塊，此部分基于android的智能手機，手機通過藍牙接收到報警信號后，啟動GPS定位，通過短信或電話形式向家人報警。本系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 模塊功能

系統采用STM32作為主處理器，接收來自陀螺儀、三軸加速度計的數據和信號，執行算法進行數據處理，并在必要時通過藍牙模塊向手機1發送報警信號，手機1接到報警信號后繼續向手機2發出報警短信或電話，同時給出警報所在的位置信息。

三軸加速度計是測量載體x軸、y軸以及z軸方向上線加速度的儀表，通過3個軸向的加速度判斷跌倒動作。當然，僅通過三軸加速度計是測不到轉動的動作的，難以測量出完整的3D動作，所以進行跌倒動作的判斷還需要結合陀螺儀。陀螺儀可以對轉動、偏轉的動作做很好的測量，這樣就可以精確分析判斷出使用者的實際動作。

本系統采用手機端作為服務器端，STM32端則作為客戶端。STM32通過發送AT命令與手機端進行連接。

手機端執行采用Eclipse編程技術開發的應用程序，除了要開發必要的界面還要長期監測是否有跌倒信號出現，因此收發藍牙傳輸數據功能需要定義為Service服務，保證系統能夠在后臺監聽。Service的啟動流程為：context.startService()-ffgt;onCreate()-ffgt;onStart()-ffgt;Service running-ffgt;context.stopService()-ffgt;onDestroy()-ffgt;Service stop。與Service通信的設備或Activity有：(1)通過藍牙無線通信的跌倒檢測裝置(FD)：Stm32當檢測到有跌倒可能時，向手機發送報警信號；(2)啟動Service的Activity(StaAct)：用于啟動；(3)StopActivity(StpAct)：用于誤報時用戶停止報警界面；(4)FeedBackActivity(FBAct)：用于反饋用戶對誤報原因的界面。

為實現定位需要使用百度地圖。百度地圖提供多種定位方法，考慮到各種定位方法的精度，優先GPS定位，然后是wifi定位和基站定位。首先需要下載相關最新的庫文件并導入：將liblocSDK4.so文件拷貝到libs/armeabi目錄下，將locSDK4.1.jar文件拷貝到工程的libs目錄下，并在工程屬性-ffgt;Java Build Path-ffgt;Libraries中選擇“Add JARs”，選定locSDK4.1.jar，確定后返回；其次，設置AndroidManifest.xml：在application標簽中聲明service組件,每個app擁有自己單獨的定位service，并且聲明使用權限進行網絡定位。還需import類com.baidu.location.BDLocation、com.baidu.location.BDLocationListener、com.baidu.location.LocationClient及com.baidu.location.LocationClientOption。

在發出報警短信或撥打電話時，給出定位的地址信息。百度地圖提供從地址到經緯度坐標或者從經緯度坐標到地址的轉換服務，通過向服務器發送包括經緯度信息在內的HTTP請求，服務器返回JSON數據，再通過JSON解析獲得地址信息。

圖2

圖3

另外，手機端需要先開啟服務。當檢測到跌倒后，跌倒檢測裝置會通過藍牙向手機發送數據，表示檢測到跌倒。同時，跌倒檢測裝置也會發出蜂鳴聲，手機端會進入誤報停止界面，界面如圖2所示。如果是誤報，需要點擊stop按鈕，進入反饋界面，反饋界面如圖3所示。反饋的誤報問題有：跑步、坐、躺、上下樓梯、跳及什么都沒有做。需要用戶選擇產生誤報的原因，從而根據報警自適應修改閾值。如果是真的跌倒，stop界面會等待1分鐘，手機端會將跌倒的信息發送給預設置的手機。

2.2.2 算法

STM32微控制器在加電后，首先初始化中斷向量表，設置棧空間，調用System_init初始化系統時鐘后再跳入main函數。在main函數中執行卡爾曼濾波算法：采用信號與噪聲的狀態空間模型，利用前一時

2 可穿戴式跌倒檢測與預警設備實現

2.1 系統硬件集成

跌倒檢測模塊采用野火STM32 V3開發板；關于陀螺儀和加速度計，本文選用了MPU-6050；跌倒檢測模塊與手機的通信采用藍牙串口模塊FBT-06；手機1為基于Android的智能手機，其需要運行相應的應用程序；手機2則可以是任意的可用手機。

MPU-6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速度計。MPU-6050通過主I2C端口以單一數據流的形式，向STM32輸出數據。因此，只需把STM32的引腳PB6（SDA）和PB7（SCL）分別連接到MPU-6050的24號引腳（SDA）和23號引腳（SCL）上即可。

藍牙模塊FBT-06的TXD和RXD與STM32的RXD和TXD連接即可。

2.2 軟件實現

2.2.1 手機端刻的估計值和現時刻的觀測值來更新對狀態變量的估計，求出現時刻的估計值。

本文只對單軸陀螺儀的信號進行軟件濾波，因此維數為1，將其中表示矩陣行數和列數的入口參數用宏定義參數ONE代替，該值設為1。卡爾曼濾波算法函數C語言實現如下：和測量值計算當前最優值;

3 結束語

本文設計開發了可穿戴式跌倒檢測與預警系統。該系統可檢測佩戴者產生的跌倒動作，在給出短信報警或電話報警的同時能夠對跌倒者進行定位。本系統手機端的應用程序運行于Android系統；跌倒檢測模塊以STM32為主處理器，接收來自MPU-6050的數據采用卡曼爾濾波算法判斷是否發生跌倒，若跌倒則通過藍牙模塊FBT-06向運行Android系統的手機發出報警信號。本系統已經過測試，測試的手機1型號為HTC 528t。

［1］卓煒.基于Android操作系統的軟件開發及應用的探討[J].電子技術與軟件工程，2013（23）.

［2］吳赫.Service與Android系統實現（1）：應用程序里的Service[OL].http：//blog.csdn.net/21cnbao/article/details/8086487

［3］張愛國，鄔群勇，李法禮.基于GPS與移動網絡的自適應定位[C]//第二屆中國衛星導航學術年會電子文集.2011.

［4］薛源.基于多傳感器的老人跌倒檢測系統的研究與應用[D].武漢：武漢理工大學,2011.