老人跌倒監測定位裝置的研究

劉欣然

(北京航空航天大學，北京100191 )

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老人跌倒監測定位裝置的研究

劉欣然

(北京航空航天大學，北京100191 )

摘要:當老人發生跌倒或者遭遇其他意外危險時，如果未在第一時間得到救治，很可能會導致老人癱瘓或生命安全，針對這一情況，提出了采用三軸加速度計等對老人狀態進行監測和報警的裝置。老人跌倒監測定位裝置實時對老人姿態變化進行監測，當老人發生跌倒或者遭遇其他意外危險時，監測裝置報警并通過內置的GSM /3G通信模塊和全球定位模塊( GPS)，將所在的位置信息以短信形式，發送給預設的家人或社區服務站手機終端，還可通過移動通信的語音通信功能，進行狀態確認和語音救助指導。對坐、站、步行等狀態下及俯臥、左右側臥等姿態下的數據進行了采集處理，結果表明裝置能正確監控并報警，同時可將定位信息發送到預設的手機上。

關鍵詞:跌倒監測;衛星定位;三軸加速度計

0引言

現如今，中國逐漸步入老齡化社會，據老年健康社會問題專家介紹，行動跌倒是危害老年人健康的第一殺手[1-5]。跌倒是指人體失去正常姿勢，意外地跌落在地面或較低的平面上，由于不少老年人患有骨質疏松等疾病，他們跌倒后約有十分之一的人會受到嚴重傷害，如頭部損傷、髖關節骨折等，由此造成的臥床不起會給老年人及其家人帶來巨大的身心痛苦。而且，老年人出現意外生命危險情況下的第一特征，例如心臟病猝發等，往往也表現為行動跌倒等。

目前國內非常重視老年人健康問題，也有一些監測老人心臟等產品，但關于老人跌倒狀態檢測的研究還比較少，提出一種人體姿態實時監測裝置方案，老人佩戴此裝置，在發生跌倒意外危險時，可將老人位置信息實時發送給家人或社區服務站手機終端，使老人在第一時間得到救治。

1總體設計

本文的跌倒監測裝置主要包括4個功能:實時監測身體狀態、位置定位、報警和信息發送四大功能。該裝置由姿態監測模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊、微處理模塊、報警模塊和電源等6個模塊組成。

該裝置采用電池作為電源，加電工作以后，微處理器開始實時監測三軸加速度計的輸出信息，并且判斷是否出現跌倒狀態，當監測到跌倒狀態的信息或者檢測到報警/取消報警按鈕按下時，裝置通過聲光報警指示模塊(由蜂鳴器和發光二極管組成)發出聲音和光的報警信息，提醒用戶所攜帶的裝置檢測到發生危險，如果是裝置檢測錯誤或者用戶誤觸報警按鈕，可在20 s內按下取消報警按鈕，則裝置重新檢測用戶的狀態信息，如果沒有及時按下取消報警按鈕，裝置則將GPS定位模塊獲得位置信息，連同預設危險報警信息通過GSM通信控制模塊以短信的形式發送至預設的接收手機上。

2姿態檢測模塊設計

人處于靜止或水平勻速運動狀態時，人體僅受重力作用，即Z軸方向的加速度為重力加速度為1 g，另外2個方向即X軸和Y軸上，受力或加速度為0。當人意外跌倒時，理想情況下Z軸分量由1 g變化為0，而另外2個軸X軸或Y軸的分量，則從0變化為最大( 1 g)。具體是X軸還是Y軸發生這一變化，則由人跌倒后的姿態決定———平臥為X軸變化，側臥為Y軸變化;如果身體姿態介于平臥和側臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿足≈1 g(站立情況下這個矢量和為0)，可以通過計算分析得出與站立不同的加速度分布。

在實際應用中，老人的日常運動也不僅僅是靜止和勻速直線運動，僅通過加速度分量的變化很難正確判斷老人跌倒，可能產生誤判或漏判。因此，需建立人體跌倒過程的運動模型，提取跌倒過程中身體姿態變化的特征參數，是準確檢測跌倒并發布報警信息的關鍵之一。

監測跌倒狀態可采用傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度計來完成，具體使用哪種方案主要根據裝置的開發成本及開發難度等多因素進行綜合考慮。本文采用三軸加速度計進行姿態檢測。

2．1跌倒狀態信號特點

人體通常跌倒的姿態主要有:向前趴下、前跪下、向后躺下、向后坐下、向左倒下和向右倒下等幾種形式。跌倒一般是一種意外、非故意情況下的身體姿態的突然變化，而致使身體失去平衡。據有關資料說明，這種倒下動作需在300～400 ms的時間內，由身體運動產生的矯正力矩去適應性的恢復平衡，若不能，則會產生跌倒;且隨著老年人年齡的增高，反應變緩、肌力下降，需要更長的時間才能產生恢復力矩。

跌倒發生前，不論是站立還是坐著，軀干都是近乎垂直于地面的，將三軸加速度計以人體軀干方向為Z軸，人體兩側方向為Y軸，人體前后方向為X軸的形式固定在人體腰部，人跌倒前在受到重力作用的影響下Z軸方向加速度值應為1 g，其余2個方向的加速度值近乎為0，當發生跌倒時，X軸或Y軸加速度值會突然增大，倒在地上瞬間，X軸或Y軸的加速度值再出現突然增大，而后因人體完全接觸地面，在重力加速度的作用下，X軸或Y軸輸出的加速度值會維持在1 g左右，其余2個方向的加速度值近乎為0。

2．2跌倒姿態檢測算法設計

一次典型的跌倒通常包括失重、撞擊、靜止以及最終形成與初始狀態不同的身體狀態4個過程[1]，因此，通常判斷是否跌倒的算法是:當人體各方向上的加速度矢量發生變化，通過預先設定合適的閾值，當判斷到某方向的加速度矢量或合加速度值超過閾值時，即可判定是否發生跌倒[6-9]。

老年人跌倒過程實驗研究表明，2種方式可判別發生跌倒:①通過建立人體三個坐標軸上的加速度計輸出值，求均方根進行閾值判決，即該值大于約2 g時，可認為跌倒發生;②人體跌倒過程是在1～2 s時間內完成的，通過時間窗口提取三軸加速度Z軸方向上分量，出現至少連續2次脈沖信號，且該脈沖的峰值超過已定的閾值l．89 g，可認為是跌倒發生。綜合老人倒地過程特點及具體使用中人們對老人倒地報警實時性的要求等方面因素，采用跌倒判定算法如圖1所示。

圖1跌倒判定算法流程圖

2．3跌倒狀態監測電路的設計

電路設計是參考MMA7260數據手冊中的典型應用設計的，芯片的MMA7260的Xout、Yout和Zout分別于單片機的A/D輸入接口連接，單片機根據采集到各個方向的加速度值變化情況，判斷人體是否發生了跌倒。

芯片的g-select1和g-select2直接與單片機的I/ O接口相連接，通過邏輯輸出控制芯片的加速度量程，g-select1與g-select2的輸出為00的加速度量程為±1．5 g，輸出為10的加速度量程為±2 g，輸出為01的加速度量程為±4 g，輸出為11的加速度量程為±6 g。

芯片的sleep引腳用于控制休眠，設計中直接與單片機的I/O引腳連接，當單片機的I/O引腳輸出低平信號時，則芯片處于休眠模式，系統設計中沒有利用這一功能，本可以直接連接VDD，但是考慮系統將來可能做擴展，并且單片機引腳也足夠使用，故將單片機引腳一直置高，使芯片一直保持工作狀態。

3定位功能設計

采用衛星定位和蜂窩基站混合方式進行定位，衛星定位就是利用衛星對地面的終端進行定位，具有定位精度高的優點，終端模塊比較豐富，實現起來較容易，美國的GPS定位系統具有代表性，但是它的缺點是搜索衛星速度比較慢，可能因為受到高大建筑物的影響而無法完成定位。

蜂窩基站定位:所謂“蜂窩”即是一個地理區域被分成的若干個小區，當移動終端通信時，實際上就是通過某一個蜂窩基站接入網絡，然后通過網絡進行數據(語音數據、文本數據和多媒體數據等)傳輸的，也就是說在通信時，總是需要和某一個蜂窩基站連接的，或者說是處于某一個蜂窩小區中的，那么這樣就完成了蜂窩基站定位，其優點是定位速度快、室內可用等優點，缺點是定位精度低。采用混合方式以發揮各自的優點，規避各自的缺點。

3．1 GPS模塊電路設計

全球定位系統( Global Positioning System，GPS)，由24顆衛星組成( 21顆工作衛星; 3顆備用衛星)，它位于距地表20 200 km的上空，均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4顆)，軌道傾角為55°。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，在全球范圍內實時進行定位、導航的系統。

用戶設備部分即GPS信號接收機，其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度和時間等信息。

GPS模塊對外采用的是串口輸出，直接與單片機的串口相連接，加電以后自動搜索衛星進行定位，單片機通過接收模塊將位置信息進行傳輸。

3．2 GSM通信模塊電路設計

GSM是當前應用非常廣泛的通信制式，移動和聯通的2G網絡均采用該制式。本設計目前只用到了短信功能，采用的是集成的SIM900模塊，該模塊將GSM相關的電路、協議等都已經完全集成好，只需通過標準的AT命令就可以實現收發短信功能。

GSM通信模塊與GPS模塊一樣，也是通過串口與單片機相連接，當系統需要對外發送短信時，單片機控制該模塊利用移動網絡將報警信息發送至預設的接收手機上。

4實驗結果與分析

對人體姿態、跌倒、手動報警等功能進行了驗證實驗，主要包括:

①坐、站、步行等狀態下，三軸加速度數據的采集與處理;②俯臥、左側臥、右側臥等姿態下的數據采集;③手動報警試驗等。

實驗證明:當人體發生跌倒時，通常情況下裝置可以準確監測，并完成報警。但是對于很小幅度的跌倒或者極為緩慢的跌倒時可能會產生漏報。當進行散步或慢跑等小運動量活動時，裝置不會發生誤判，而當加速跑、跳躍時，裝置還是存在一定誤報可能，當存在漏報和誤報時，可采用手動報警/取消報警功能，作為補充方案。

5結束語

本設計是利用三軸加速度計、GPS定位模塊、GSM模塊以及單片機等模塊構成系統硬件，采用軟件算法進行老人跌倒姿態監測，同時通過短信形式將定位信息發送給預先設置的接收手機上，通過實驗表明該裝置在通常情況下能正確完成監測、報警及定位功能。但對于有些狀態，還存在漏報、錯報的可能，目前存在的問題，有待于進一步改進硬件設計和軟件算法來解決。未來還可以增加心肺及體溫等檢測功能，以便更加完善老人的健康檢測。

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Research on Tumble Monitoring Positioning Device for Elderly People

LIU Xin-ran

( Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract:When the old man falls down or is in danger，if he is not taken a cure in time，it is likely to result in paralysis or death．In view of this situation，this paper puts forward the monitoring and alarm device for elderly people by using three-axis accelerometer．This device can monitor in real time the posture change of old man，send out the alarm and transmit the location information to the handset terminal of family or community service station through built-in GSM/3G communication module and GPS．The situation identification and voice rescue guidance are implemented through mobile voice communication function．The data collection is performed for sitting，standing，walking，left or right sidelying，etc．The results show that this device can correctly performed monitoring and alarm，and transmit the location information to the preset handset．

Key words:tumble monitoring; GPS positioning;three-axis accelerometer

作者簡介:劉欣然( 1996—)，女，大二學生，主要研究方向:電子信息工程。

收稿日期:2015-07-09

中圖分類號:TN965．3

文獻標識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-82-4