基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報(bào)警器

邱亮 千博

摘要：鑒于現(xiàn)階段老人跌倒報(bào)警器在攜帶等方面存在的問(wèn)題，提出了一種利用陀螺儀、加速度計(jì)以及磁力計(jì)等慣性傳感元件設(shè)計(jì)的跌倒報(bào)警器，文章分別從原理、結(jié)構(gòu)組成與軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)跌倒報(bào)警器的研究過(guò)程展開詳細(xì)論述，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的跌倒報(bào)警器在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)Φ惯M(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

關(guān)鍵詞：慣性傳感技術(shù)；跌倒檢測(cè)；姿態(tài)解算；卡爾曼濾波器

0 引言

隨著社會(huì)老年化的加重，老人獨(dú)居現(xiàn)象越來(lái)越普遍。不論對(duì)于家人，還是對(duì)于社會(huì)來(lái)說(shuō)，老人健康都是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。老人由于身體各個(gè)部分的功能都在退化，因而很容易發(fā)生跌倒，而跌倒的發(fā)生將會(huì)對(duì)老人的身心造成無(wú)法估量的傷害。所以對(duì)老人的跌倒進(jìn)行檢測(cè)，研究跌倒報(bào)警器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于上述原因，本文設(shè)計(jì)了一種可穿戴于腰部的跌倒報(bào)警器，跌倒檢測(cè)裝置內(nèi)部有加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等慣性傳感元件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老人跌倒的檢測(cè)，讓發(fā)生跌倒的老人可以及時(shí)得到醫(yī)療救援，降低跌倒對(duì)老人造成的傷害。

1 跌倒報(bào)警器研究現(xiàn)狀

跌倒報(bào)警器裝置是以無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)作為基礎(chǔ)條件研發(fā)的新型裝置，但就目前跌倒報(bào)警器設(shè)計(jì)情況來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者忽視了老人掌握現(xiàn)代化產(chǎn)品熟練程度。老人由于操作能力與視力逐漸下降，應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)備難度較高。同時(shí)，老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度驚嚇，無(wú)法正確操作跌倒報(bào)警器。隨著科學(xué)技術(shù)水平顯著提升，慣性傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，尤其是近年來(lái)在跌倒檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，大大的降低了跌倒報(bào)警器的研發(fā)成本。慣性傳感技術(shù)在跌倒檢測(cè)應(yīng)用中主要承擔(dān)兩方面工作，一方面是對(duì)老人日常行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另一方面是利用相關(guān)姿態(tài)解算算法分析判斷跌倒行為的發(fā)生。

2 跌倒報(bào)警器的工作原理

老人由于身體機(jī)能的衰退，容易失去平衡而發(fā)生跌倒。在老人身體跌倒的那一瞬間，老人的身體產(chǎn)生了向下的重力加速度，身體各個(gè)部位的加速度也會(huì)發(fā)生不同程度的變化。為了能夠方便對(duì)人體跌倒時(shí)各種變量的描述，必須建立空間坐標(biāo)系。假設(shè)，以人體作為原點(diǎn)，將人體前后方向看成X軸，左右方向看成Y軸，人上下方向看成Z軸。人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的加速度是由于人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)瞬間發(fā)生變化而產(chǎn)生的。在老人跌倒的過(guò)程中，慣性傳感元件將會(huì)檢測(cè)到加速度值和身體傾斜角值，通過(guò)分析加速度和角度的變化情況可以判斷出入體發(fā)生跌倒。

慣性傳感技術(shù)主要作用就是通過(guò)對(duì)老人生活行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析判斷出跌倒行為的發(fā)生。圖1是跌倒報(bào)警器系統(tǒng)的原理圖，MPU6050六軸傳感器模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，通過(guò)12C接口連接STM32，根據(jù)傳感器不同的地址信息分別讀取MPU6050的角速度值和加速度值，然后利用四元數(shù)算法和姿態(tài)控制算法分析老人身體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)

跌倒報(bào)警器由五部分構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、通信模塊、檢測(cè)單元、發(fā)射模塊、家庭電話。中心數(shù)據(jù)處理模塊主要由兩部分構(gòu)成，分別為單片機(jī)與通信模塊。通過(guò)完成對(duì)傳感器信號(hào)的整合處理操作，實(shí)現(xiàn)跌倒判斷。

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

在對(duì)單片系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)上，主要由四部分構(gòu)成，分別為時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路與BDM接口。不同子系統(tǒng)所具有的功能分別為：

1）時(shí)鐘電路在應(yīng)用中，可以為單片機(jī)提供晶振：

2）電源電路所提供的電源電壓為5V，可以為單片機(jī)運(yùn)行提供穩(wěn)定電壓保證：

3）復(fù)位電路在系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常情況下，向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)：

4） BDM接口可以為用戶提供專門接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)下載與調(diào)試等操作。

3.2 無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)

通信模塊電路主要承擔(dān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送與接收任務(wù)，同時(shí)還可以與讀卡器、連接器相連接。通信模塊電路所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在單片機(jī)操作指令作用之下，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息雙向傳輸，讀取PDU與Text格式信息。本文應(yīng)用的無(wú)線通信模塊芯片型號(hào)為PSoC27443，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跌倒報(bào)警器無(wú)線通信功能。無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。無(wú)線通信模塊采取編程排列方式，一旦其中一個(gè)元器件出現(xiàn)破損情況，可以隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行更替。

3.3 陀螺儀和加速度計(jì)模塊

陀螺儀通常被用來(lái)檢測(cè)物體旋轉(zhuǎn)的角速度值。本文在設(shè)計(jì)跌倒報(bào)警器度過(guò)程中一共運(yùn)用了兩個(gè)陀螺儀，分別用來(lái)檢測(cè)老人前后站立角度與側(cè)向站立角度。加速度計(jì)被用來(lái)檢測(cè)物體由地球引力作用所產(chǎn)生的加速度值。本文選用了飛思卡爾公司所生產(chǎn)的慣性傳感器MPU6050，該型號(hào)的傳感器具有體積相對(duì)較小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。圖4為加速度計(jì)與陀螺儀兩者結(jié)構(gòu)結(jié)合示意圖，為了能夠排除老人假摔，降低了對(duì)老人跌倒的誤判，傳感器內(nèi)的卡爾曼系數(shù)采取可調(diào)節(jié)形式。

4 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報(bào)警器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主要程序

跌倒報(bào)警器系統(tǒng)軟件部分一共由三部分構(gòu)成，分別為傳感模塊、控制模塊與報(bào)警模塊。首先，跌倒報(bào)警器需要初始化設(shè)置，初始化設(shè)置完畢之后，再檢測(cè)是否有發(fā)送短消息，如果有，則根據(jù)跌倒報(bào)警器的指示執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果沒有，則檢測(cè)傳感信號(hào)，若有傳感信號(hào)，則根據(jù)指示做進(jìn)一步的處理；如果沒有，則檢測(cè)是否有傳感器信號(hào)，若有，則根據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地操作；如果沒有，則返回初始狀態(tài)，進(jìn)行下一次檢測(cè)，如此循環(huán)往復(fù)。主程序流程如圖5所示。

4.2 短信息的編碼解析

目前，短消息模式主要有Text模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU （protocol data unit）模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，但缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信：而PDU模式不僅支持英文短信，也能發(fā)送中文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼方式：

1）7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符；

2）8 bit編碼通帶用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息；

3） UCS2編碼用于發(fā)送16位Unicode字符。

為了支持中文短信的收發(fā)，本系統(tǒng)采用PDU編碼模式。最終設(shè)計(jì)的基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報(bào)警器如圖65基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報(bào)警器的測(cè)試

跌倒報(bào)警器采用六軸運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)人體跌倒，采用GPS和基站定位（LBS）相結(jié)合的定位方式實(shí)時(shí)跟蹤老人運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)跌倒報(bào)警，軌跡查詢等功能，同時(shí)還具有一鍵SOS呼救功能，具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，圖7顯示的是跌倒報(bào)警器的外觀圖。

測(cè)試者按照?qǐng)D8佩戴好跌倒報(bào)警器后，在平穩(wěn)的道路上正常行走，通過(guò)模擬向前跌倒、向左側(cè)跌倒和向右側(cè)跌倒3鐘跌倒姿勢(shì)進(jìn)行跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性和準(zhǔn)確性，所設(shè)計(jì)的基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報(bào)警器能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)到跌倒的發(fā)生。

6 結(jié)論

本文針對(duì)老人摔倒后果的嚴(yán)重性，設(shè)計(jì)了一種基于慣性傳感技術(shù)的老人跌倒報(bào)警器。由于結(jié)合了現(xiàn)代智能手機(jī)，報(bào)警器具有裝置小巧、攜帶方便的特點(diǎn)，適用于經(jīng)常單獨(dú)活動(dòng)的老人。具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣泛的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)。

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