一種便攜式智能跌倒檢測儀的設計與實現

Design and Implementation of the Portable Intelligent Fall Detector

胡云冰　童世華

(重慶電子工程職業學院計算機學院，重慶　401331)

一種便攜式智能跌倒檢測儀的設計與實現

Design and Implementation of the Portable Intelligent Fall Detector

胡云冰童世華

(重慶電子工程職業學院計算機學院，重慶401331)

摘要：針對我國日益突出的人口“老齡化”問題以及普遍存在的“空巢”現象，為了避免老人發生跌倒時無人看護，以至于不能及時發現而無法及時獲得救助導致猝死等情況的發生，利用三軸跌倒算法和GPRS無線通信技術，設計并實現了一種便攜式智能跌倒檢測儀。通過測試表明，該跌倒檢測儀能對佩戴者是否發生跌倒進行準確檢測，并及時準確發出本地聲光報警和遠程報警，具有報警準確率高、穩定性強等特點，具有廣闊的市場前景和良好的社會效益。

關鍵詞：跌倒算法GPRS加速度傳感器跌倒檢測跌倒監護遠程報警

Abstract：In accordance with the situations of population aging problem becomes increasingly prominent and the expanded empty nest phenomenon in our country, in order to avoid the aged people have fallen when unattended, even lead to sudden death because they can not be detected and aided timely, thus the portable intelligent fall detector has been designed and implemented by adopting 3-axis fall algorithm and GPRS wireless communication technology. Through tests, it is shown that the users with wearable sensor can be accurately detected when they fall, and local audible and visible alarm and remote alarm can be issued, the instrument features precise alarm rate and high stability, in addition, it possesses broad marketing prospects and good social benefits.

Keywords：Fall algorithmGPRSAcceleration sensorFall-detectionFall guardianshipRemote alarm

0引言

根據第六次全國人口普查主要數據公報顯示，我國已經步入老齡化社會。與此同時，“空巢老人”數量也急劇增加。當老人們發生意外跌倒或突發疾病時，通常因沒能被及時發現而錯失了最佳急救時間，從而造成巨大傷害或無法挽回的后果。因此，對獨居老人和空巢老人的實時遠程監護已經成為一個社會關注熱點和亟待解決的問題。

目前，市場上已有幾種針對老人跌倒進行監測、報警的裝置，但普遍存在價格過高、功能較少、“誤報”和 “漏報”幾率大等缺點[1]。針對市場現有產品的不足，本文提供了一種基于GPRS無線通信的便攜式智能跌倒檢測解決方案。該方案能對佩戴者是否發生跌倒進行精確檢測，并發出本地和遠程報警。與同類產品相比，其價格低廉，具有自動本地報警和遠程報警以及跌倒空間定位功能，“誤報”和 “漏報”幾率極低，抗摔能力強，體積小，質量輕，方便攜帶, 具有廣闊的市場前景。該跌倒檢測儀已申請技術保護，并已獲國家專利授權，專利號：ZL201220080508.3。

1系統總體方案設計

基于GPRS通信的智能跌倒儀主要由跌倒監護報警終端(跌倒檢測儀)、遠程監護終端 (監護手機)和二者的通信網絡三個部分組成。跌倒遠程監護系統拓撲圖如圖1所示。

圖1　跌倒遠程監護系統拓撲圖

圖1所示跌倒檢測儀由使用者佩戴，主要負責檢測佩戴者是否發生跌倒，當佩戴者發生跌倒時會及時發出報警信號；監護手機主要負責收取由跌倒檢測儀發出的報警信號；通信網絡GPRS主要負責將跌倒檢測儀發出的報警信號發送給監護人手機。

該智能跌倒儀通過檢測佩戴者人體體位發生變化時所伴隨的劇烈的加速度變化，獲得實時信號，然后傳至核心處理模塊進行存儲和分析，從而確定是否發生跌倒事件。若發生跌倒事件，檢測儀首先進行本地的10 s的聲光報警，在10 s聲光預警內如果沒有取消報警按鍵輸入，在聲光預警結束后自動通過GPRS發送報警短信到指定的監護人手機上，同時通過GPRS將報警信息發送到監護人手機上進行報警提示。

2三軸跌倒算法

本設計是通過三軸跌倒算法實現佩戴者是否發生跌倒檢測的。三軸跌倒算法是本設計跌倒檢測準確性的關鍵。為了準確區分人體跌倒和生活行為，本設計設地面坐標系為固定的笛卡爾坐標系OXYZ，其中Z軸垂直于地面；將跌倒檢測儀佩戴于人體正前方，人體軀干坐標系為Oxyz，x軸指向軀干前方，y軸指向左方，z軸指向右方[2-3]。Oxyz和OXYZ示意圖如圖2所示。

圖2　人體軀干坐標系Oxyz及地面坐標系OXYZ

當身體正常直立時,坐標系Oxyz與坐標系OXYZ平行;當跌倒檢測儀佩戴者摔倒在地面時，作用在人體與地面的接觸部位的平均力為[4]：

(1)

3硬件系統的設計與實現

根據跌倒檢測儀的功能需求分析，跌倒檢測儀系統的硬件部分主要包括核心處理模塊、加速度信息采集模塊、聲光報警模塊、按鍵輸入模塊、GPRS通信模塊、系統電源模塊等六個模塊。系統硬件結構如圖3所示[6]。

圖3　系統硬件結構圖

圖3所示的加速度信息采集模塊負責實時采集人體加速度信息；聲光報警模塊主要進行本地聲光報警；按鍵輸入模塊負責在本地聲光報警時進行取消報警或者系統出現漏報時進行主動報警；GPRS通信模塊主要負責本地聲光報警后遠程報警信息的發送；核心處理器負責實現信息的處理，以及相應功能的實現。

3.1　加速度信息采集模塊

本模塊主要通過對跌倒檢測儀佩戴者加速度的檢測實現是否發生跌倒的檢測。根據設計需要，加速度信息采集選用的傳感器是ADI公司的三維加速度傳感器ADXL345。它可以在傾斜感測應用中測量靜態重力加速度；可以從運動或者振動中測量動態加速度，能夠分辨僅為0.25°的傾角變化；可以檢測有無運動發生，以及在任何軸上的加速度是否超過用戶設置的水平；可以檢測單擊和雙擊動作。自由落體感測功能可以檢測該設備是否正在自由跌落[7-8]。

加速度傳感器ADXL345的控制和使用主要通過操作傳感器內部的寄存器實現。通過IIC接口和SPI接口實現三個軸上的加速度分量讀取。

3.2　無線通信模塊

本模塊主要實現本地聲光報警后遠程報警信息的發送。本設計采用GPRS通信方式，無線通信模塊選用的是華為的EM310。EM310模塊共有50個引腳，引腳的接口包括了EM310與外界相連接的所有接口，包括電源部分、數據通信部分、語音通信部分以及狀態指示部分。實現的主要功能是數據通信，主要包括了GPRS模塊的SIM卡與遠程用戶的手機通信，以及GPRS模塊與系統核心處理器之間的串口通信[9]。

3.3　核心處理器模塊

本模塊主要實現對各模塊信息的處理。系統的核心處理器采用的是Luminary Micro公司推出的LM3S1138芯片。LM3S1138內部集成了ARM CortexM-3的內核、內部存儲器(64 kB Flash和16 kB SRAM)、通用定時器、看門狗定時器、同步串行接口(SSI)、UART接口、ADC采集器、模擬比較器、IIC模塊和GPIO口。

4系統軟件的設計與實現

系統的軟件架構圖如圖4所示。

圖4　系統軟件架構圖

根據跌倒檢測儀的功能要求，跌倒檢測儀的系統軟件主要包括系統初始化配置模塊、循環跌倒檢測判斷模塊、報警處理模塊、無線通信控制模塊部分等[10]。

系統初始化模塊主要負責對系統各種功能函數、各種外設接口和功能模塊等進行初始化的配置。循環跌倒檢測判斷模塊主要是跌倒檢測算法的實現，負責對人體加速度的變化和身體姿態進行實時的監測，判斷人體是否發生跌倒。報警處理模塊實現當檢測到人體跌倒后進行各種報警的處理。無線通信控制實現在報警處理后進行無線通信，控制無線通信模塊發送遠程報警信息。

根據跌倒檢測儀系統的功能需求分析可知，跌倒檢測儀的系統執行過程主要是在系統初始化完成以后，在系統中通過循環監測的方式，對人體的加速度和身體姿態進行循環監測。當監測到人體的加速度變化和身體姿態變化出現異常時，首先進行本地聲光預警提示，在本地預警提示正常的結束后，系統將控制系統中的無線通信模塊，實現遠程報警和空間定位信息的處理和發送。跌倒檢測的主要流程如圖5所示。

圖5　系統主流程圖

5系統測試

經功能測試，跌倒檢測儀完全實現了預定功能：若發生跌倒事件，跌倒檢測儀首先進行本地10 s聲光報警，在10 s聲光預警內如果沒有取消報警按鍵輸入，則在聲光預警結束后自動通過GPRS發送報警短信到指定的監護人手機上。

跌倒檢測儀通過了耐溫測試、跌落高度測試、電磁兼容性測試、抗震測試以及誤報率測試，耐溫值為-40～80 ℃；跌落高度值為0～1 200 mm。模擬測試數據如表1、表2所示。本設計展現出高可靠性、高穩定性、高抗干擾性、高抗摔性、誤報率極低等特點。

表1　正常日常生活活動模擬測試數據表

表2　各種跌倒模擬測試數據表

6結束語

本文通過三軸跌倒算法和GPRS無線通信技術設計并實現了一種便攜式智能跌倒檢測儀。經測試表明，該跌倒檢測儀能夠在佩戴者發生跌倒時及時準確發出本地聲光報警和遠程報警。與市場同類產品相比，本設計作品具有報警準確率高、穩定性強、抗摔性好、抗干擾能力強、體積小、佩戴方便、價格低等優點，其優點得到國家專利局認可，并已進行專利授權。該跌倒檢測儀具有十分廣闊的市場前景和良好的經濟效益、社會效益。

參考文獻

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中圖分類號：TH89

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502021

重慶市教委科學技術基金資助項目(編號：CY120301)。

修改稿收到日期：2013-11-28。

第一作者胡云冰(1979-)，男，2007年畢業于重慶大學軟件工程專業，獲碩士學位，講師；主要研究方向為嵌入式技術。