基于九軸傳感器的人體異常行為檢測

彭偉，肖雅萍，王世飛，高莉

（江蘇師范大學自動化系，徐州221116）

0 引言

隨著中國人口老齡化進程的加快，銀發經濟也成為市場經濟里不可忽略的一部分。現階段老年產業市場存在產品品種稀少、功能單一等問題。而現如今人工智能的飛速發展為提升老人生活質量與幸福指數提供了一條新的選擇。人工智能被廣泛應用于生活的各個領域，智能家居養老系統的發展也漸漸提上日程。老齡人口的不斷增長，獨居老人規模的不斷擴大，如何解決獨居老人的居家安全問題也同時成為社會關注的焦點。而作為老年群體自身行動多有不便，出現異常行為、心率失常[1]等情況。因而如何落實讓所有老年人老有所樂、老有所安，已成為社會亟需解決的問題[2]。

為了解決上述問題，幫助獨居老人降低生活環境周邊的危險系數，減少財產損失，提高老年人晚年生活舒適程度和幸福指數，本系統旨在通過內外雙重保障很好地實現對獨居老人居家環境以及生理機能的檢測。檢測節點包括以及心率、體表溫度、人體異常行為識別等多個方面[3-5]。系統通過對這些數據的檢測及后期數據的采集對比分析來判斷老人的具體情況。與此同時所有檢測節點分析下來的詳細數據以及定位信息將被發送至相關人員的移動設備上。

1 整體設計方案

系統硬件平臺主要由控制器、異常行為識別模塊、定位模塊、健康檢測模塊、報警模塊、居家檢測模塊和電源管理構成[6]。

本系統主要解決老年人獨自一個人外出、在家里出現突發狀況。利用三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸磁力計傳感器負責采集人體的運動姿態，通過相應的跌倒算法處理，來判斷是否出現意外跌倒等狀況[7-8]；健康檢測模塊由心率傳感器和人體體表溫度傳感器組成，該模塊旨在時刻檢測老年人人體機能的數據，控制器也將實時接收該模塊傳輸的相關數據；定位模塊通過借助GPS進行初步定位，再借助于三軸磁力計傳感器進行輔助定位，提供實時位置；報警模塊采用聲光報警器與GSM相結合，再出現緊急情況，系統通過發送短信給相關人員報告當事人信息；居家檢測模塊主要采集環境溫度、煙霧和防盜檢測，提供一個安全舒適的居住環境；電源管理模塊負責各個模塊電能供應。

圖1系統整體框架圖

2 硬件設計

2. 1 控制器

核心控制單元的微處理器選用32位RAM系列Cortex-M4核心的STM32F407作為控制器，具有高速率、低功耗、AHB/APB、抗干擾能力強等優點。設定的工作頻率為168MHz，其外設豐富可以滿足本系統所需的外圍設備，多余接口預留為后期功能擴展提供保障。單元實時檢測利用STM32F407的IIC_SCL、IIC_SDA、TX、RX、CSL和SDA采集數據進行實時處理。以STM32控制器外設非常豐富，大大滿足了本系統所需的外圍設備，并且功耗低，性能高，能滿足本系統的設計，所以選擇該芯片為中央處理器。

2. 2 異常行為識別模塊

本系統采用了九軸傳感器MPU9250[9]，具有三個16位加速度AD輸出，三個16位陀螺儀AD輸出，三個6位的磁力計AD輸出。該芯片具有實時性強，體積小等優點。利用虛擬IIC采集人體姿態的數據。在設計時采用九軸中的加速度和陀螺儀[10]考慮到參數變化的隨時、隨機性，設定人體的重心為佩戴點，由此建立空間坐標系來采集人體在三個方向的數據變化，通過采集分析的數據瞬態變化量，由此來判斷人體所處狀態[11]。

圖2

2. 3 定位模塊

本設計的定位系統采用SIM900A+三軸磁力計組合定位。原有的GPS定位系統不能適應例如屋內的密閉空間[12-13]，且目前民用GPS技術存在定位精度不高等問題。利用SIM900A里面的頻道GPRS實現定位很好解決了上述問題。該模塊解決了密閉空間不能定位的問題，利用三軸磁力計進行輔助定位[14]，能實現立體空間定位。

2. 4 健康檢測模塊

人體檢測模塊主要借助于MAX30100+IR溫度傳感器實現[15]。該模塊具有檢測心率變化，分析血壓的壓動信號、血氧脈搏信號等功能，IR主要用于檢測人體體表溫度。鑒于每個人的皮膚厚度不同，需要通過調試來調整LED電流從而提高該模塊的靈敏度，很大程度上提高了檢測效果。

圖3

圖4

2. 5 報警模塊

報警模塊主要由SIM900A（GSM）[16-17]+實現聲光報警。在出現緊急狀況時，控制器將所采集到的數據轉換并發送給存儲的預定聯系人。系統數據在轉換的同時，控制器會對相應的數據進行分析，并最終以短消息形式發送至監護人手機。相應的聲光報警會發出警報聲響和燈光閃爍標識最大程度吸引周邊人員的注意，為緊急救援提供了另一有效保障。

2. 6 電池管理模塊

該系統需要良好的便攜特性，其需要通過獨立、專門的電源給予支持。該電源主要性能包括使用壽命長、安全性能好、模塊體積小、自供電穩定、自放電較小等。基于上述要求，本電源采用TP4056芯片，該芯片兼有電池溫度檢測、欠壓閉鎖設置、自動再充電設置以及雙引腳LED顯示充電、結束兩個狀態等優點。電池選擇使用最廣泛的具有高電容量、小體積、高質量、優性能的鋰電池。

圖5系統軟件程序框圖

2. 7 居家監測模塊

該模塊主要由煙霧傳感器（MQ-135，MQ-2）和環境溫度傳感器組成，用于檢測空氣濕度、室內溫度、煤氣煙霧、火勢火情等諸多檢測點。本模塊旨在保障獨居老人居家環境安全。

3 軟件設計

3. 1 系統軟件程序框架

系統軟件程序流程如圖5所示，本設計系統在上電后，對所有模塊進行初始化，各個模塊采集相應的數據，交由單片機處理。

人體姿態檢測到數據，通過虛擬I2C將數據發送給單片機，單片機通過前面編程預先輸入的算法公式進行計算，求出相應的值，在圖示化界面觀察值突變，突變的值就會伴隨異常行為的發生，利用該值代入預先范圍值進行判斷，并由此判斷是否報警。心率、溫度檢測時，利用自身芯片轉換為相應的數據值再發送給單片機，單片機只需簡單處理該值，將值進行下一步深化，在進行報警處理。若出現異常行為（跌倒、溫度低）等信號，設備馬上啟動定位模塊，計算出該地址的經度、緯度、高度。若用戶十秒之內沒有通過按鍵關閉報警處理，該數據通過單片機觸發GSM，將短消息發送給監護人，并且觸發聲光報警模塊。如無相應的觸發信號，各個模塊繼續監測。

3. 2 異常行為設別模塊數據分析

在設計時考慮到參數變化的隨時、隨機性，設定人體的重心為佩戴點，由此建立空間坐標系來采集人體在三個方向的數據變化，通過采集分析的數據瞬態變化量，由此來判斷人體所處狀態。

通過采集的數據，將三個方向的值合成一個值來表示，檢測人體跌倒、下蹲、站立和行走過程主中，在某一個時刻合成值出現突變，通過對突變值的分析，判斷人體是否出現跌倒、下蹲等情況[18-19]。圖6是通過MATLAB輔助處理數據仿真得到的數據圖，該圖表示人體不同情況下的行為信息。

圖6姿態識別仿真圖

3. 3 健康檢測模塊數據分析

該項檢測溫度和心率兩項值。溫度檢測人體體表溫度，溫度出現高于正常值也會觸發報警裝置。心率傳感器主要檢查心率異常等情況其中B表示心率，Q表示兩個脈搏波的中間值，心率計算如下：

wr_max30100_one_data（0xae，0x09，0x66）;

delayms（50）;//等待溫度轉化

rd_max30100_one_data（0xae，0x16）;

//讀出溫度信號

printf（"temp1=%d "，rda）;

temp1=rda;

rd_max30100_one_data（0xae，0x17）;//讀出溫度小數部分數據

printf（"temp2=%d "，rda）;

temp2=rda;

temp=temp1+（temp2*0.0625）;//計算溫度小數部分最小溫度值

圖7

float getPos（）{

float scalar=sw/sw;//（sw-sh/2）;

float ratio=（pos-（x-sw/2））*scalar;

float p=minVal+（ratio/sw*（maxVal-minVal））;return p;}

3. 4 報警模塊分析

在出現緊急狀況下，處理器將采集所得的信息交由控制器處理，并判斷是否出異常行為、溫度過高、心率失常等情況，處理器將信息通過SIM900A處理，將信息發送到預置手機上，以達到報警效果。

圖8健康檢測模塊圖

圖9報警短信圖

4 結語

本文設計的是一款基于九軸傳感器的人體異常行為檢測系統，本設計可以實現空間立體定位、快速檢測并判斷人體異常情況，并將異常情況和地理位置發送給監護人，實現實時救治。經過試驗，該系統在實驗環境下能準確檢測老年人異常情況，并能實現室內定位空間高度，本系統為老年人異常行為檢測的研究貢獻一點力量。