一種可穿戴式跌倒檢測報警系統(tǒng)的設計

尤若寧，莊偉萍

中國人民解放軍第一七四醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 廈門 361003

一種可穿戴式跌倒檢測報警系統(tǒng)的設計

尤若寧，莊偉萍

中國人民解放軍第一七四醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 廈門 361003

目的研制一種可穿戴式的跌倒檢測報警系統(tǒng)，能夠在佩戴者跌倒時發(fā)出報警，并通過移動網(wǎng)絡通知相關人員。方法通過陀螺儀搜集人體3軸加速度信息，采用藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端APP并進行計算與判別，若判別為佩戴者跌倒，則APP控制手機發(fā)出報警并通過移動網(wǎng)絡通知相關監(jiān)護人員。結果經(jīng)測試，本跌倒報警系統(tǒng)可穿戴，重量輕，跌倒狀態(tài)識別準確，能夠在跌倒時發(fā)出報警，并通過移動網(wǎng)絡通知相關監(jiān)護人員。結論本系統(tǒng)采用新型6軸運動處理組件及藍牙4.0芯片，整機功耗低，一顆紐扣電池即可運行超過半年；數(shù)據(jù)在手機端進行處理，處理速度快、精度高，實時性好，判斷準確；本系統(tǒng)能夠準確判別跌倒狀態(tài)，及時發(fā)出報警，在老年人等特殊人群發(fā)生跌倒后能夠及時獲得救助。

可穿戴；陀螺儀；藍牙；移動網(wǎng)絡；跌倒檢測；報警

引言

據(jù)統(tǒng)計，跌倒已成為除交通事故外第二大致死原因，也是老年人發(fā)生意外傷害的首要原因。而跌倒后沒有得到及時救治或是發(fā)生二次傷害則是跌倒致死的最主要原因。因此能夠第一時間檢測到老年人跌倒的發(fā)生并發(fā)出報警，及時通知其監(jiān)護人員，可以為救治老年人贏得寶貴時間[1]。

近年來跌倒檢測系統(tǒng)在國內(nèi)外均有快速的發(fā)展。目前跌倒檢測系統(tǒng)主要分為基于視覺圖像的跌倒檢測系統(tǒng)、基于環(huán)境的跌倒檢測系統(tǒng)及可穿戴式的跌倒檢測系統(tǒng)。其中基于視覺圖像的跌倒檢測系統(tǒng)準確度最高，但其計算量巨大、成本高，且只能在裝有攝像頭的室內(nèi)使用；基于環(huán)境的跌倒檢測系統(tǒng)需要在室內(nèi)布置各類傳感器，且只能在室內(nèi)使用；可穿戴式的跌倒檢測系統(tǒng)有一定的誤判率，但其成本最低，計算量小，成為跌倒檢測系統(tǒng)的最主要發(fā)展方向。在跌倒檢測算法方面，大部分系統(tǒng)均采用閾值法，采用極限學習機、神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能進行檢測的算法目前已有外國研發(fā)人員進行開發(fā)與測試[2]。

本文設計一種可穿戴式的跌倒檢測報警系統(tǒng)，通過陀螺儀搜集人體3軸加速度信息，采用低功耗藍牙將數(shù)據(jù)無線發(fā)射到智能手機，通過智能手機上的應用程序（APP）對數(shù)據(jù)進行實時計算、分析，判別是否發(fā)生跌倒，若判定為佩戴者跌倒則控制智能手機發(fā)出報警，并通過移動網(wǎng)絡通知相關監(jiān)護人員此情況[3]。

1 系統(tǒng)設計路線

本設計主要包括兩部分：硬件系統(tǒng)設計和跌倒檢測軟件算法設計。

硬件系統(tǒng)設計方案為通過MPU6050讀取人體3軸加速度信息，通過兩線式串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）接口將數(shù)據(jù)傳給片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）藍牙芯片nRF51822，通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能手機[4]，由智能手機上的APP進行就算和判別，并根據(jù)具體情況發(fā)出報警并通過移動網(wǎng)絡通知相關監(jiān)護人員[5]。技術路線框圖，見圖1。

圖1 技術路線框圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 新型陀螺儀MPU6050

MPU6050是全球首例整合性6軸運動處理組件，集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸加速度計，并帶有一個可擴展的數(shù)字運動處理器（Digital Motion Processor，DMP），可擴展為9軸運動傳感器芯片。其高度集成化，免除了組合陀螺儀和加速度計時軸間差的問題，同時縮小了芯片尺寸，減小芯片功耗。MPU6050通過I2C接口與外部設備進行通信，直接輸出數(shù)字信號[6]。

MPU6050每次上電后需要進行初始化，配置其內(nèi)部的量程、低通濾波器、陀螺儀采樣率等寄存器，以滿足本次設計要求。采樣率計算公式如下：

Sample Rate=Gyroscope Output Rate/(1+SMPLRT_DIV)

其中，Sample Rate為采樣率，Gyroscope Output Rate為陀螺儀的輸出率，SMPLRT_DIV為需要配置的寄存器。同時，本次設計將加速度輸出量程設置為±8 g，角速度量程設置為±1000°/s。

配置上位機nRF51822的I2C總線，P0.01引腳作為SCL，P0.00作為SDA。其連接圖，見圖2。

圖2 MPU6050接線圖

2.2 SoC主控芯片nRF51822

本設計采用Nordic Semiconductor公司生產(chǎn)的SoC芯片nRF51822作為主控芯片，其整合了Nordic的無線收發(fā)器，一顆32位ARM Cortex M0內(nèi)核、256 kB flash 和16 kB RAM，并集成了timer等多種外設，采用嵌入式C語言進行編程，同時完全支持藍牙4.0規(guī)范和專用的2.4 GHz協(xié)議棧[7]。nRF51822接線圖，見圖3。

圖3 nRF51822接線圖

nRF51822采用ARM內(nèi)核，不需要另外增加一塊微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）芯片進行控制，能夠通過編程直接對MPU6050的I2C接口進行讀寫操作與時序控制，并將數(shù)據(jù)通過藍牙進行傳輸。同時nRF51822完全支持藍牙4.0，且一塊芯片幾個進行數(shù)據(jù)采集控制與發(fā)送，能夠進行藍牙低功耗技術（Bluetooth Low Energy，BLE）程序開發(fā)，大大降低系統(tǒng)功耗，傳輸距離可達100 m。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 芯片配置及軟件設計

3.1.1 MPU6050配置

MPU6050每次上電后都需要對其進行初始化，配置其內(nèi)部的各個寄存器。下面介紹幾個重要寄存器的配置[8]。

Sample Rate Divider寄存器用于設置采樣率。其中SMPLRT_DIV為8位無符號數(shù)，通過SMPLRT_DIV對陀螺儀的輸出頻率進行分頻，得到采樣頻率。采樣率的計算公式為：

Sample Rate=Gyroscope Output Rate/(1+SMPLRT_DIV)

其中，Sample Rate為采樣率，Gyroscope Output Rate為陀螺儀的輸出率，SMPLRT_DIV為需要配置的寄存器。當數(shù)字低通濾波器沒有使能的時候，陀螺儀的輸出頻率等于8 kHz，反之等于1 kHz。本設計使能低通濾波器，故將SMPLRT_DIV設置為0x07，得到采樣率為1000 Hz。

Configuration寄存器CONFIG用于設置陀螺儀和加速度計外部幀同步（FSYNC）引腳采樣和數(shù)字低通濾波器。通過配置EXT_SYNC_SET，可以對連接到FSYNC引腳的一個外部信號進行采樣，這里設置為0，禁止外部信號輸入。DLPF_CFG可配置低通濾波器，這里采用默認設計，即加速度計濾波帶寬260 Hz、陀螺儀濾波帶寬256 Hz，故將CONFIG設置為0x00。

Accelerometer Configuration寄存器用于配置加速度計的量程。其中AFS_SEL為2位無符號數(shù)，可配置加速度計的量程。本設計中加速度計的量程為設置為±8 g，故將該寄存器設置為0x08。

Gyroscope Configuration寄存器用于配置陀螺儀的量程。其中GFS_SEL為2位無符號數(shù)，可配置陀螺儀的量程。本設計中加速度計的量程為設置為±1000°/s，故將該寄存器設置為0x10。

同時配置Power Management 1（PWR_MGMT_1）等寄存器，關閉睡眠模式、關閉溫度傳感器、選擇時鐘源，設置MPU6050進入正常數(shù)據(jù)采集模式。

3.1.2 nRF51822配置及軟件設計

nRF51822支持兩線通信接口（Two-wire interface，TWI），也就是MPU6050使用的的I2C接口，使用其TWI接口需要對其進行初始化[9]。nRF51822總共有32個通用輸入/輸出（General Purpose Input Output, GPIO）口，每一個GPIO口都可以通過其PIN_CNF寄存器單獨配置，可初始化為SCL和SDA引腳。本設計中將P0.01引腳作為SCL，P0.00作為SDA。在初始化結束時需要用庫函數(shù)twi_ master_clear_bus()對I2C總線上的數(shù)據(jù)進行清除，保證之前的狀態(tài)不會對后面造成影響。

nRF51822的TWI采用了可編程外圍互連（Programmable Peripheral Interconnect，PPI）機制，即不同外設間可通過tasks和events進行自主互動而不需要通過CPU進行控制。在初始化時同樣需要對PPI進行初始化配置，將通道0打開。

在TWI進行讀寫操作是，當數(shù)據(jù)長度不為0的事件發(fā)生時，通過PPI機制觸發(fā)TWI傳輸掛起任務，數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸；當數(shù)據(jù)長度為1的事件發(fā)生時，觸發(fā)停止TWI傳輸任務；當數(shù)據(jù)長度為0的事件發(fā)生時，TWI接口讀寫程序直接終止。

由于nRF51822采用PPI機制，能夠自主產(chǎn)生I2C對應的時序信號，不需要人為進行對SCL和SDA進行拉高或拉低并延時等處理，直接調(diào)用相關函數(shù)即可讀取I2C總線上的數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)后，通過配置timer從而設置發(fā)射頻率，通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機進行后續(xù)處理。I2C總線時序，見圖4。

圖4 I2C總線時序

3.2 跌倒檢測算法設計

考慮到跌倒的突發(fā)性、不自主性，身體在跌倒瞬間時的3軸加速度和角速度會發(fā)生劇烈變化，且變化時間極為短暫僅為數(shù)秒。本設計中將3軸加速的和成為人體總加速度[10]，通過對總加速度的變化情況和3軸加速度的大小判斷人體所處狀態(tài)，同時借助角速度的變化情況對判斷結果進行驗證[11]，若兩者結果相同則判定為跌倒。

圖5 身體狀態(tài)發(fā)生變化（a）和身體狀態(tài)不變（b）

圖6 跌倒算法流程圖

3.3 移動網(wǎng)絡軟件設計

手機端APP對數(shù)據(jù)進行處理后判斷是否跌倒，若跌倒，則控制手機喇叭發(fā)出報警聲，并將相關信息打包，發(fā)送給事先保存的監(jiān)護人員的手機。打包的信息包括：跌倒發(fā)生的時間、跌倒的方向、跌倒地點定位等信息[12]。

4 實驗驗證與結果

本次設計對跌倒檢測報警系統(tǒng)進行了時間檢測，分為日常動作、前摔、后摔、左摔、右摔共5種狀態(tài)[13]，平均準確率超過95%。具體實驗結果，見表1。

表1 實驗結果表 (%)

5 小結

通過上述對各種身體狀態(tài)的實驗測試結果可知，本文設計的可穿戴式跌倒檢測報警系統(tǒng)能夠準確識別出跌倒事件的發(fā)生及跌倒反向，并能及時發(fā)出報警。本系統(tǒng)采用藍牙BLE技術和高集成化傳感器及SoC芯片，大大降低功耗且數(shù)據(jù)傳輸無延時，一塊紐扣電池就能滿足系統(tǒng)持續(xù)工作半年以上[14]；采用智能手機處理數(shù)據(jù)，算法準確性高且實時性好，能夠在跌倒發(fā)生時及時發(fā)出報警并發(fā)送短信通知相關監(jiān)護人員，贏得寶貴的救護時間[15-16]。

[1] 臧楠.老人跌倒檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[2] 鄭娛,鮑楠,徐禮勝,等.跌倒檢測系統(tǒng)的研究進展[J].中國醫(yī)學物理學雜志,2014,31(4):5071-5076.

[3] 胡云冰,童世華.一種便攜式智能跌倒檢測儀的設計與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2015,36(2):84-87.

[4] 佚名.基于NordicnRF51822SoC的網(wǎng)狀網(wǎng)絡平臺瞄準物聯(lián)網(wǎng)應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2015,15(3):84.

[5] 祁麟,彥麗.可穿戴血壓測量設備的研究與應用進展[J].中國醫(yī)療設備,2016,31(12):77-79.

[6] 劉莉,鄭冬云,劉曉軍.基于MPU6050的老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].中國醫(yī)療器械雜志,2015,(5):327-330.

[7] 周堂興,范紅.一種智能可穿戴的跌倒檢測系統(tǒng)[J].微型機與應用,2015,34(2):94-96.

[8] 卓從彬,楊龍頻,周林,等.基于MPU6050加速度傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)設計[J].電子器件,2015,(4):821-825.

[9] 趙萬年,潘輝,黃超,等.基于nRF51822的藍牙防丟器的設計與實現(xiàn)[J].電子科學技術,2016,3(1):46-49.

[10] 張軍建,趙捷,安佰京,等.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測研究[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展,2014,14(18):3585-3588.

[11] 沈秉乾,武志勇,賀前華,等.人體姿勢狀態(tài)判決的跌倒檢測方法[J].計算機應用,2014,(s1):223-227.

[12] 陳海軍,趙丹曦,賴勝圣.基于移動網(wǎng)絡的跌倒監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012,(7):28-30.

[13] 徐亞龍.基于三軸加速度的跌倒檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].南寧:廣西大學,2015.

[14] 薛詩靜,高帥鋒,周平.可穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[J].中國醫(yī)療設備,2015,30(1):6-9.

[15] 任志玲,張冰倩,鄭麗媛.基于加速度傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2013,(6):1428-1430.

[16] 周洪建.可穿戴式無創(chuàng)血氧飽和度監(jiān)測儀的設計[J].中國醫(yī)療設備,2008,23(1):21-23.

本文編輯 袁雋玲

Design of a Wearable Fall Detection Alarm System

YOU Ruo-ning, ZHUANG Wei-ping

Department of Medical Engineering, the 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

ObjectiveThis study aimed to develop a kind of wearable fall detection alarm system, which could send out alarm when the wearer fell down, and informed relevant staff via mobile network.MethodsThe triaxial acceleration information of the wearer was gathered by gyroscope, then the data was sent to the mobile phone APP by bluetooth for calculation and distinguish. If there was a fall in the discriminant for the wearer, the APP control mobile phones would send out alarm to related care workers via the mobile network.ResultsAfter testing, this fall alarm device was comfortable to wear, and was with features of light weight, falling state recognition accuracy, good alarm effect, informing related care workers via mobile network.ConclusionThis system is designed by adopting the new type 6 axis motion processing module and bluetooth 4.0 chips. The whole machine is low power consumption, and a button battery could run more than half a year. The data processing is conducted on the mobile, with high processing speed, high precision, real-time and accurate judgment. This system can accurately distinguish fall state and send out alarm timely. The special people such as the olds can receive timely aid after fell down.

wearable; gyroscope; bluetooth; mobile network; fall detection; alarm

TP274

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.008

1674-1633(2017)08-0028-05

2016-10-08

2016-10-13

作者郵箱：youruoning@sina.com