基于Android的跌倒測試儀的設計與實現

鄭清蘭,陳壽坤

(閩南理工學院 實踐教學中心，福建 石獅 362700)

人在行走或直立的情況下都有可能發生跌倒事件，特別是老年人，一旦發生跌倒沒有得到及時救治就有可能會危及生命安全，所以若是有一款儀器能實時將老年人的跌倒信息和跌倒位置發送給家屬，老人就可以得到及時的救治.國內外在跌倒檢測技術上也做了相當多的研究.早期使用的跌倒檢測設備，一旦配帶者跌倒，只要按下跌倒檢測設備上的報警按鈕就會發出報警聲，用于發出求救信號.這種設備攜帶方便，易操作，但在使用時還是存在諸多問題，例如使用者若跌倒后失去知覺或意識不清醒，就很難按下報警按鈕.所以如果使用者配帶的是自動報警儀器，那就可以排除此類情況，在跌倒后不用做出任何動作，系統就會將跌倒信息和位置發送到相應的Android手機上，這正是當前國內外研究的主導方向[1].為此，研究跌倒檢測技術對于老年人有極大的幫助，它能提高老年人群的生活質量，減少老人外出時給家人帶來的憂慮感.

1 跌倒檢測算法分析

1.1 模式識別跌倒檢測算法

模式識別就是用數學理論的方法，通過計算機來研究模式的判別和自動處理.該設計采用基于支持向量機的模式識別技術，即SVM[2].這種方法只要很少的樣本就可能識別出被觀察的對象特征，獲得較好的統計規律，在很大程度上簡化了模型的復雜程度，提高了識別的效果.

支持向量機首先將給定的樣本進行分類，然后建立SVM模型，本設計采用三軸加速度傳感器采集跌倒訓練樣本，訓練出SVM分類器.假設n個樣本的訓練集S=[(xi,yi)|i=1,2,3,…,N],x∈Rn,y∈{-1,1}能被直線wTx+b=0無誤的分開.

參數X為輸入向量，W為權值向量，b為偏置，則有

支持向量機的終極目標是找到一個分離邊緣最大的超平面，即最優超平面，如圖1所示.

圖1 最優超平面示意圖Fig.1 Optimal hyper-plane diagram

當離最優超平面最近的特殊樣本XS滿足|g(XS)|=1時稱為支持向量.由于支持向量與分類決策面最近，是最好分類的數據點，因此在支持向量機的運行中起著重要作用.

1.2 特征向量提取

基于奈奎斯特抽樣定理[4]可知,原始信號若要實現無失真、完整地恢復，只能在被測信號的最高頻率位于采樣頻率50%以下的情況下.文獻表明，99%的人體在日常活動中的頻率都在15 Hz以下,因此，本設計取三軸加速度傳感器的采樣頻率為50 Hz.

大多數情況下，跌倒檢測儀所收集的跌倒姿勢信號是由本身的重力加速度信號、所處位置的噪聲信號等信號的合成[5].所以，要通過濾波器將雜波信號濾除，只留下有用的跌倒檢測信號，濾波后的效果如圖2所示.

(a) 濾波前 (b)濾波后圖2 濾波前后效果對比圖Fig.2 Comparison charts before and after the filter effect

特征提取和特征選擇是連接跌倒識別和加速度數據采集的扭帶，是模式識別方法分類的基本問題.特征提取的主要目的是從三軸加速度數據中提取出最有效、最合適的向量.常用的特征提取方法有頻域分析法、時域分析法和時頻分析法[6].3種方法中時域分析法的計算復雜程度最低，并且人體在跌倒時的三維傾斜方向、跌倒的運動狀態、跌倒過程的速度快慢均可由時域信息來體現.因此，本設計采用時域分析法，并選用加速度向量SVM、跌倒傾斜角θ作為特征向量.

2 系統總體方案設計

目前的智能手機都帶有GPS定位功能，而Android系統是應用最廣泛的，因此具備定位和通信需求的微型產品應緊緊圍繞Android系統智能手機來開發.本設計的基本組成要素是Android系統智能手機及跌倒檢測儀.其中跌倒檢測儀包括采集分析跌倒數據，三軸加速傳感器，GPS定位發送模塊、通信模塊、通信網絡.Aandroid系統智能手機用來接收報警和定位信號，當使用者跌倒時，報警模塊立即向綁定的手機傳送報警信號，并開啟GPS定位系統，及時將跌倒者的位置通過短信傳送給綁定的手機，并通過藍牙進行手機與檢測儀之間的數據傳輸.

總體設計方案如圖3所示，Android系統智能手機用于與檢測儀的藍牙建立連接，執行客戶端軟件；檢測儀負責收集并分析加速度傳感器采集到的相關數據；當攜帶者發生跌倒時，跌倒信號會發送至手機，手機接收到求救信息后通過GPS定位系統取得攜帶者的位置，最后通過短信的形式將跌倒者的位置和信息發送到監護人的手機上.

圖3 總體設計方案Fig.3 Overall design

3 系統的硬件設計

跌倒檢測儀的主要功能是檢測跌倒數據和實現遠程報警.跌倒數據檢測由數據的收集、分析、算法識別等構成.報警則由語音系統和跌倒定位構成.因此硬件系統主要分為處理器STM模塊、傳感器模塊、語音報警模塊、無線通信模塊及電源模塊等，框圖如圖4所示.

圖4 硬件系統框圖Fig.4 Hardware system block diagram

3.1 嵌入式模塊

跌倒檢測儀的CPU是嵌入式模塊，它主要采用中等容量增強型32位的帶64 K字節閃存的STM32F101微控制器，最高72 MHz工作頻率，擁有20 K的SRAM,2.0～3.6 V供電和I/O引腳，并包括多達7個定時器.根據系統的要求，其外圍電路設計如圖5所示.

圖5 STM32F101外圍電路Fig.5 STM32F101 peripheral circuits

3.2 傳感器模塊

本設計中的傳感器模塊使用三軸數字陀螺儀傳感器L3G4200DH.三軸陀螺儀能同時檢測6個方向的位置，具有體積小、結構簡單等優點. L3G4200DH作為意法半導體的最新產品，是一款高性能三軸數字輸出陀螺儀，它集成片上FIFO存儲器模塊[7]，存儲量值最多可達96個，這些量值可分成32組X、Y、Z軸數據采樣.此項功能能使主處理器無需連續讀取傳感器的角速度功耗，能在很大程度上減小系統總體功耗.其外型及管腳功能如圖6所示.

圖6 L3G4200DH外型及管腳圖Fig.6 L3G4200DH appearance and pin diagram

3.3 GPS無線通信定位模塊

GPS無線通信定位模塊選用功能強大的SIM808模塊. SIM808采用高性能工業級GPRS/GSM 四頻模塊，并集成GPS導航技術和藍牙功能的Arduino擴展板，外型尺寸僅為一張IC卡大小，兼容Arduino UNO、 Leonardo、Mega等主控器，可以實現電話語音、彩信、短信、GPRS數據傳輸功能、GPS定位.模塊供電電壓5～18 V左右，電源可通過控制引腳控制，高電平供電，低電平斷電.模塊可通過TTL串口控制，可接入單片機或其它串口設備中[8].

4 系統軟件設計

系統軟件采用 Mini2440集成開發環境，用于控制各模塊的工作以完成跌倒檢測儀的整體設計.總體流程圖如圖7所示.

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

程序運行開始后，先對設備進行初始化，通過藍牙與客戶端連接，將獲取的加速度值轉化為加速度向量進行一次SVM判定，當判定結果為“跌倒”時，程序開啟語音報警模式，10 s后如果沒用取消報警，啟動GPS定位.程序將調用子函數將跌倒信號及定位信息通過藍牙發送到監護人的手機上.

配置本機藍牙模塊過程部分代碼如下：

BluetoothAdapter adapter=BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();

Intentintent=new Intent(BluetoothAdapter.getDefaultAdpter();

startActivityForResult(intent,0xi);

Adapter.enable();

4.1 Android手機端軟件設計

手機端軟件設計的目的是實時獲取檢測儀的信息，對檢測儀發送過來的數據進行及時處理，并通過網絡調取地圖，顯示跌倒的具體位置.具體流程如圖8所示.

圖8手機軟件流程

Fig.8Mobilesoftwareflow

手機客戶端APP界面主要是使監護者能直觀地設置跌倒檢測儀的各項功能，當收到一個跌倒信息時，手機APP會彈出窗口并發出提示音，使監護人可以在第一時間內確定跌倒者的位置信息.APP圖標如圖9 (a)圈內所示，此APP的功能選擇如圖9(b)所示，包括電話、綁定、位置查詢等.

(a)界面1 (b)界面2圖9 手機APP圖標Fig.9 The APP icon of the mobile phone

4.2 綁定管理

本文通過Java語言編寫應用程序，實現手機對檢測儀的管理，部分代碼如下：

Phone=device.phonenum; //監護人電話

Manager=Manager.getDefault();

Manager.send TextMessage(phone,content,null);

Device.userbind=true;

Tosst.make Text( mcontext,‘綁定成功’，Toast.LENGTH_LONG).show();

Break;

4.3 調用顯示電子地圖

跌倒檢測儀內GPS定位模塊的主要作用是將跌倒者的位置傳至網絡，手機端對傳上來的數據進行分析處理，然后調用地圖實現定位，主要程序如下：

Rad=mapView.getProjection().metersTO Equator Pixels(dm,pastloc.get(i).loc_acc);

Canvas.draw Circle(ptCire.x,ptCircle.y,rad,paint);//添加地圖范圍

Bitmap bitmap=Bitmap Factory.decode Resource(context.get Resources(),

R.drawable.map_iconl;//獲取位置

Paint.set Alpha(255);

Canvas.draw Bitmap(bitmap,ptCirclele,x-bitmap,getWidth()/2,

ptCircle.y_bitmap.getHeight(),paint);//添加圖標

4.4 接收消息并查找位置

手機端軟件收到消息并在監護人手機發報警信號，監護人手機收到報警后需要馬上掌握跌倒者的位置.在虛擬機中使用Java語言編譯Android系統中的API接口，相應程序代碼如下：

If(cur_device.isalarming){Log.d(TAG,cur_devoce.message);//服務器位置消息查找

Set Positive(‘確定’,null).show();

Toast.make Text(mcontext,‘服務器連接中....’，Toast.LENGTH_LONG).show();

CurLocation cl=newCurLocation(cur_device.lastmessage,cur_device.alarmdate,

cur_device.phonenum);

If(ValidLoation())

{cur_device.isalarnimg=false;

cur_device.pastloc.add(cl);

New Alert Dialog.Builder(mcontext).set Title(‘查詢成功’).

Set Message(x,y,z);

Set Positive Button(‘確定’，null);

Show();

}

5 結束語

通過分析目前國內外跌倒檢測系統，提出了一種基于支持向量機的模式識別算法，并通過分析老年人日常跌倒的各種姿勢，確定了跌倒檢測儀的硬件和軟件系統，最終設計出一種方便攜帶的跌倒檢測儀.該檢測儀具有體積小，攜帶方便等特點，能及時將使用者的跌倒信息和位置發送到監護人的手機上，使老年人的日常出行安全有一定的保障.