基于物聯網的老年人意外摔倒的監控報警設計

基于物聯網的老年人意外摔倒的監控報警設計

近年來，物聯網在定位追溯、報警聯動、遠程控制等管理和服務領域應用廣泛，其通過將無處不在的末端設備和各種設施通過通訊網絡實現互聯互通，提供安全可控乃至個性化的實時服務。

專家指出，意外摔倒已成為高齡老人致死的第一殺手。老人因意外摔倒不能及時救助會造成嚴重的后果，發生意外時若能及時發現報警，可大幅減少摔倒后的危險程度。

國內關于老年人遠程監護、及時救助方面的研究還不多，本設計將應用物聯網感知和定位老人意外摔倒的信息并報警提醒使得老年人的意外摔倒得到及時的救助。

系統的方案設計

本系統利用現代電子技術及通訊技術，通過對人體紅外線的監測，并將監測的數據與正常活動下進行比對來判斷是否發生意外；當老人意外跌倒，系統可立即發現并定位地理位置自動報警并通知親屬，這樣可以避免老人發生意外無人救助或猝死。這個裝置不但無射線，對人體無害，而且老人無需任何操作，系統邏輯框圖如圖1。

系統的硬軟件設計

硬件主要構成：ARM單片機、三軸加速度傳感器。人體形姿的轉變中，重力是影響運動變化過程的主要因素。人體運動的速度、加速度以及位移在摔倒過程和正常行走狀態均會產生明顯差異。采用三軸加速度傳感器，在人體運動過程中實時檢測到三個軸向的加速度，運用算法取一定時間域的疊加值，并經過處理模塊進行數據處理進行相關運算，然后比對分析判斷出人體相應的運動狀態和摔倒信息。如果判斷為意外摔倒，系統將通過網絡定位地理區域等信息并發送監控系統，監控系統在第一時間通知給監護對象的親屬，使得老年人使用改系統得到及時的救助。

基于三軸加速度傳感器的摔倒檢測

導致老年人摔倒有很多因素，比如視力障礙、腦梗阻、突發心臟病、行動關節出問題等等，不管哪種突發因素，其摔倒的共性都是人體失去平衡能力。這種不由自主產生的突發行為導致老年人摔倒在地上，在摔倒過程中發生的可能的姿勢包括前俯摔倒、后仰摔倒、向左摔倒和向右摔倒，如圖2所示。

圖1 系統邏輯框圖

圖2 人體摔倒姿勢分析

本設計中摔倒檢測是采用ADXL345三軸數字輸出加速度傳感器實時采集人體運動過程中三個方面的加速度信號從而感知人體姿態的變化，老年人平時運動速度相對較慢，而在摔倒過程中加速度變化會很明顯，其中有四個主要變化特征可作為摔倒檢測判別準則。一是，ADXL345的Free_ Fall中斷可以檢測跌倒開始發生的失重；二是，ADXL345的Activity中斷可以檢測出跌倒時候與地面發生沖擊的撞擊；三是，ADXL345的Inactivity中斷可以檢測跌倒撞擊地面之后的短暫靜止狀態；四是，發生跌倒之后，人體經過翻轉三軸加速度與初始值的變化。

便攜式終端設計

本系統便攜式監護終端基于Android操作系統設計實現功能。Android系統是專為移動設備設計的軟件平臺，其良好的可移植性、應用程序的開放性等特征具備便攜式意外摔倒監護終端設計的可行性和技術要求，Android采用嵌入式Linux內核，在ARM上的移植與Linux的移植類似，主要分為三個部分：引導程序、系統內核及文件系統的移植。

該便攜式監護終端的Android操作系統中，關鍵部分是加速度傳感器驅動，它是連接Android操作系統和硬件設備的關鍵紐帶，其對硬件抽象層和ADXL345三軸數字輸出加速度傳感器皆很重要，加速度傳感器參數初始化、分析處理檢測到的加速度變化等功能都由該部件實現，便攜式終端硬

件結構如圖3。

圖3 便攜式終端硬件結構圖

結束語

本文提出了一種基于物聯網的老年人摔倒監控報警系統的設計方案，采用了三軸加速度傳感器實時檢測摔倒狀態，結合物聯網技術，實現基于Android系統的便攜式監護終端設計，完成了基于物聯網的智能化監控報警系統的硬件及軟件設計，成功幫助老年意外摔倒及時通知救助。當然，物聯網技術應用廣泛，在老年人的心臟病發作監測、小孩走失跟蹤等應用領域還有待進一步研究。

圖4 降水量在三種布站方案下的內插隨機誤差與距離的關系曲線

表2 不同季節氣溫及降水量在不同布站方案下的最大容許誤差及最大容許距離

結語

（1）統計分析了賀蘭山沿山地區近三年日平均氣溫與月降水量的結構函數與距離的關系，其擬合曲線基本呈線性關系，在研究的區域內，結構函數隨距離的增加而增大，但不同季節的結構函數均不同，氣溫的空間梯度變化在冬季最大，然后是秋季、春季、夏季。

（2）分析了內插標準誤差與距離的關系，當大于某一距離時，無論是氣溫還是雨量，正三角形中心內插的精度最低，且這一臨界距離僅在夏季氣溫時最大，最大約為25 km，其余均在10 km以內。所以重點分析正三角形中心內插，而在此內插方案下，賀蘭山沿山地區布站精度小于等于10.5 km時，均滿足內插的標準誤差小于觀測的隨機誤差。

（3）采用統計方法分析站網時，要求在不同距離上有較多的站點且每一站點的數據盡可能的豐富。文章僅研究賀蘭山沿山地區，站點不夠密集、且研究的時間跨度有限，有可能導致研究結果不夠準確。而站網的合理分布是一個較復雜的問題，還應考慮重要城鎮、主要工礦企業、人口聚集區、主要交通干線及其他防汛重點區域。文章僅從純業務的角度考慮了氣象觀測間距問題。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.033