低成本老人居家跌倒檢測報警系統設計

申　晗 程恩琥

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

低成本老人居家跌倒檢測報警系統設計

申晗 程恩琥

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

本文針對我國老齡化嚴重、看護資源不足，老人在家意外跌倒不能被及時發現無法得到救治的問題，研究分析了跌倒檢測技術及老人生活環境，基于微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技術提出一種腳部運動特征值信號向量幅值（signal vector magnitude，SVM）和傾斜角（tilt angle，TA）的多閾值跌倒判別及滯后修正方法，結合無線充電技術，設計了基于CC2530的低成本老人居家跌倒檢測報警系統。老人在家意外跌倒時，系統可自動向預設監護人發送報警短信，具有低成本、低功耗、高可靠性的特點。

CC2530；ZigBee；SVM；TA；跌倒檢測；無線充電

據相關資料顯示，全世界每年有近50萬人因跌倒受傷、失去活動能力甚至失去生命。老年人因其身體各項機能的衰退，受到意外跌倒影響更加嚴重。然而多數情況下跌倒并不是造成死亡的直接因素，而是由于傷者不能被及時發現得到救治。每年因意外跌倒造成的醫療費用達50余億元，間接社會代價更為巨大。隨著智能家居的高速發展，智能人體跌倒檢測克服了傳統手動式報警裝置在受監護者跌倒后失去活動能力甚至失去意識時無法實施報警的缺點。但智能家居行業仍處于起步發展期，成本較高，不易于大范圍推廣。因此，設計一種低成本、實時有效的跌倒檢測報警系統是非常必要的。本文提出一種將MEMS微機電系統嵌入鞋底、對腳部運動相關的特征值信號向量幅值SVM和傾斜角TA的多閾值跌倒判別及滯后修正方法，結合無線充電技術，設計了基于CC2530的低成本老人居家跌倒檢測報警系統，老人在家意外跌倒時，可及時向監護人發送報警短信，使老人得到及時救助，將傷害降到最低，滿足居家老人使用需求。

1.跌倒檢測技術

目前，用于人體跌倒檢測的研究方法主要分為3類：一是基于計算機視覺技術，利用監視器采集人體活動視頻，再進行圖像處理，從而觀測人的活動狀態和姿態等信息。二是基于音頻傳感器技術，主要通過分析跌倒時人體沖擊地面導致的振動來進行判斷，當地面振動傳感器采集到振動信息時，進行數據分析，從而判斷人體是否跌倒。三是利用加速度傳感器、陀螺儀等微機電系統（MEMS）對人體加速度、角度等信息進行判別，從而實現跌倒檢測。

受我國經濟特點及企業主要存在形式的影響，老年人居住環境較為集中，且由于住宅年代久遠建筑技術的限制，使得住宅存在光線暗、隔音差、不易于二次改造等問題。綜合以上因素，基于MEMS的跌倒檢測技術更適用于我國居家老人的監護。現有的MEMS的跌倒檢測系統的傳感器數據主要從智能手環或智能手機獲取。但對于老年人智能手機不易攜帶和保管，智能手環雖然采用低功耗技術續航時間長，但其仍需定期充電且束縛感強。因此本文提出一種將MEMS傳感器嵌入鞋底對腳部運動相關的特征值進行多閾值跌倒判別及滯后修正的方法。

2.系統設計

系統主要由跌倒檢測判別單元、監控報警單元、監測端組成。跌倒檢測判別單元與監控報警單元采用Zigbee技術進行無線通信，監控報警單元利用GPRS技術向監護人員發送報警信息。系統拓撲圖如圖1所示。

當老人正常活動時，跌倒檢測單元會實時檢測老人的活動狀態；當發生意外跌倒時，檢測判別單元將根據加速度傳感器采集的數據進行判別，利用Zigbee無線通信技術將檢測信息傳輸到監控報警單元，通過發送的信息識別出老人所處位置和跌倒狀態，利用SIM800技術將檢測信息結果和位置信息發送給監護人員，以便于摔倒老人及時得到救治。

系統采用Zigbee組網技術，可實現整棟樓的用戶的摔倒事故的檢測判別，各用戶可同時使用一個監控報警單元，極大地節約了成本。

跌倒檢測判別單元可按照需求內嵌到任意鞋子內部，穿著方便，不會影響舒適度，同時當用戶休息時，可將鞋子放在床邊地毯等特定位置，利用無線充電技術進行充電，簡單方便。

2.1系統硬件設計

硬件系統主要分為電源管理電路、腳部姿態檢測電路以及CC2530外圍電路，系統整體框圖如圖2所示。

2.1.1跌倒檢測判別單元設計

跌倒檢測判別單元主要利用三軸加速度傳感器和陀螺儀采集人體腳部的運動信息，通過SVM和TA算法判斷老人是否跌倒以及跌倒的姿態。

跌倒檢測判別單元采用MPU6050加速度傳感器采集腳部姿態信息。MPU6050內部集成用于加速度和角度識別的三軸加速度傳感器和陀螺儀。其可通過軟件程序控制最大加速度測量值可達±16g，角速度最大感測值可達±2000°/sec（dps），可準確追蹤快速與慢速動作，對腳部的3個方向的加速度和傾斜角進行測量識別。

MPU6050采用單電源供電，供電方便，采用QFN20封裝，機械尺寸僅為4×4×0.9mm，大大節省空間，符合本設計實際需求。

2.1.2無線通信模塊

跌倒檢測判別單元與監控報警單元通信采用基于CC2530無線通信模塊的Zigbee技術，該技術基于IEEE802.15.4標準協議，能夠以極低的材料成本建立強大的網絡節點，其具體性能指標見表1。

表1　 Zigbee技術性能指標

Zigbee傳輸速率快，數據吞吐能力強，搭建成本和功耗低，支持數據多種傳輸模式，網絡節點數最大可達65000個，完全滿足組網數量要求，同時工作頻率采用2.4GHz，具有很較強的抗干擾性能，特別適用于低功耗、高可靠性數據傳輸場合。CC2530內嵌8051內核，無須利用外部MCU單元，極大地節約了制作成本。

監控報警單元和監測點之間采用SIM800技術進行短信通信，SIM800是一款尺寸緊湊、小巧的可支持4頻的GSM/ GPRS模塊，采用省電技術設計，性能強大。只需使用AT指令，無須復雜的軟件編程即可實現短信報警功能。

2.1.3無線充電設計

無線充電部分采用芯科泰公司的無線充電解決方案，無線充電模塊采用無芯圓形螺旋電感線圈作為無線充電的發射、接收線圈。無線供電采用“磁耦合共振”技術。當發射端通電時，在其周圍形成一個交變的磁場，作為發射線圈和接收線圈能量傳遞的媒介。強度與地磁場在同一數量級，不會形成電磁干擾，且傳輸損耗小。本設計中，無線充電單元的發射線圈采用5V～12V直流電壓供電，適合居家使用；接收線圈體積小，外徑為38mm，內徑為30mm，厚度1.6mm，適合安裝在鞋內，滿足系統對無線充電的要求。

2.2系統軟件設計

軟件設計主要包括腳部姿態加速度和角速度的基于閾值的判別。將加速度傳感器采集得到的3個方向的加速度合成成為信號向量幅值SVM，如式（1）所示。

傾斜角TA表示老人腳部角度發生變化的幅度，意外跌倒過程中會使腳部產生較大的傾斜角，TA表達式如下所示：

由于人體在發生意外跌倒時情況種類較多，為了降低誤報率，提高檢測精度，算法以SVM和TA值作為判斷依據，設定正常運動狀態下的閾值作為參考，以檢測跌倒后續一段時間的三軸加速度值作為滯后修正依據。如圖3所示為跌倒檢測判別單元的軟件程序流程圖。

3.系統性能測試

3.1電源部分測試

對無線充電單元的充電性能進行測試，如圖4所示為電源部分測試示意圖，通過改變提離值，測試接收線圈電流值，以判斷是否滿足系統工作需求。

提離值分別為0～6mm時接收線圈接收到的電流值，見表2。

表2　不同提離值對應的接收電流數值

由表2可知，提離值的大小影響接收電流的大小，當提離值為6mm時，接收電流仍可達到132mA，完全滿足實際中對TP4056充電芯片的工作條件要求。

對跌倒檢測判別單元功耗進行測試，其工作電流僅為32mA，配備2000mA時電池，跌倒檢測判別單元連續工作時間可達60小時以上。

3.2模擬測試實驗

考慮到老年人的安全問題，本實驗樣本為男女青年各兩名，在實驗中增加身體負重，以模擬老年人運行速度，分別模擬4個方向的單只腳的摔倒過程以及意外碰撞的過程，實驗結果見表3。

表3　實驗數據

由表3實驗數據可知，當同時對兩只腳進行檢測時，準確率將會提升。

結論

（1）本文提出一種新的傳感器安裝方法，將姿態檢測傳感器內嵌在鞋子內部，極大地方便了老人的使用，利用無線充電技術，便于用戶充電。系統工作電流僅為32mA，配備2000mA時鋰電池，連續工作時間可達60小時以上，滿足老人使用需求。（2）系統中設計的腳部姿態判別算法極大地降低了老人摔倒的誤報率，具有很高的可靠性和準確性。（3）系統采用CC2530集成的片上SOC解決方案，內嵌增強型8051內核，成本低，滿足大范圍推廣條件，節約了社會養老成本。

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