基于六軸姿態傳感器的跌倒遠程報警系統的設計＊

張 磊，陳 鋒，楊文浩，李泓臻

（1.珠海科技學院，廣東 珠海 519041；2.深圳市興奇宏科技有限公司，廣東 深圳 518100；3.深圳市合元科技有限公司，廣東 深圳 518128）

1 摔倒報警系統的設計

1.1 設計思路

該報警系統主要是通過識別人體四肢和軀干各部位的加速度和角速度，通過算法將加速度和角速度轉化為人體各部位的運動軌跡，從而簡易地判別人體姿態，去甄別是否摔倒、發出報警。其加速度與角速度的數據主要來源于MPU6050六軸傳感器。傳感器采集數據后，通過算法進行一定的數據處理，分析出人體時間段內姿態情況，如正常的行走、直立、靜坐。

人體姿態數據的采集部位主要為雙手手腕、雙腳腳腕以及腰部，每一個部位都有一個NRF51822藍牙芯片作為主控，通過多對一的無線藍牙通信，將MPU6050采集到的數據集中到一個藍牙主機中。藍牙主機通過串口通信，把人體姿態數據傳輸給STM32F103ZET6單片機。單片機驅動ATK-GM510模塊，使用TCP協議將姿態數據遠程傳輸至云服務器。云服務器作為數據中轉中心，把姿態數據發送到MATLAB上對數據進行運算處理，模擬繪制出人體的運動姿態，通過合加速度和人體姿態判斷是否摔倒，并向終端反饋信息。如果發生跌倒，就會向終端發送GPS定位信息及報警信號，終端和佩戴設備都會發出蜂鳴警報。并且云服務器與終端可以同時接收多組用戶的信息，更充分地利用資源，使整體設備可以進行一對多的監控，便于在更多環境和場景下使用。該設備系統的整體設計框圖如圖1所示。

圖1 跌倒遠程報警系統設計框圖

1.2 系統模塊介紹與設計

1.2.1 六軸傳感器模塊

本設計中進行姿態數據采集的傳感器模塊為MPU6050，選用原因為它是全球首例整合性六軸運動處理組件，其集成了加速度計和角速度計，可以大大減少穿戴設備的體積，且普及度高，價格相對便宜；角速度全格感測范圍可達±2 000°/s，可準確跟蹤快速和慢速動作；加速度全格感測范圍可達±16g，同時具備16 Bit數字輸出；使用IIC傳輸協議，適用于各種主控芯片，傳輸速率最高可達400 kHz；內部繼承的DMP處理引擎可以將角速度轉換為歐拉角并直接讀取，為MCU減少了大量的數據處理；可以在后續增強整體設備的功能時，為MCU留出更多的空間，也可在版本穩定之后選用數據處理功能較弱的MCU，降低設備成本。

1.2.2 藍牙模塊

藍牙部分選用的是NRF51822芯片。藍牙技術作為一種近距離、低功耗的無線傳輸協議，被廣泛運用到各個領域。該協議連接迅速，數據傳輸穩定。利用無線協議也可以使得設備整體更加簡潔、方便使用。NRF51822不僅內部自帶藍牙模塊可以進行數據傳輸，還可以作為主控芯片驅動MPU6050進行人體姿態數據采集工作，進一步減小了設備的整體體積，更加便于穿戴。NRF51822支持藍牙4.0協議，數據的傳輸速度也相對較快。

1.2.3 系統設計

上電初始化延時：身體各部位的MCU上電后經過一定延時，再對NRF51822和MPU6050進行初始化，使佩戴者有足夠的時間調整自身姿態，與設備模擬的初始姿態一致，讓姿態模擬更加準確。

數據采集頻率高于發送頻率：在程序的實際開發中，因為藍牙廣播傳輸不夠穩定，存在數據丟包等問題，使得數據失真或數據量不夠。所以在實際使用中，姿態數據的采集頻率比發送頻率更高，發送給云服務器的數據是從采集到的數據中進行一定規律的篩選和調整的，從而保證了云服務獲取到的整體姿態數據的穩定性。

周期性廣播：為了使廣播數據和采集數據2個任務互不影響，會利用NRF51822內部的藍牙協議棧，令廣播進行定期休眠。在廣播休眠此期間進行姿態數據的讀取和處理，避免了2個任務同時訪問數據空間，發生沖突造成數據混亂。

幀同步信號：單片機會根據數據發送的時間間隔和自定義的幀同步校驗位，判斷是否為同一組數據，通過自定義的字頭判斷為哪個部位的數據，進行數據整理再發送至云端。當某一部位的數據沒有及時更新時（設備故障），藍牙會停止發送數據（全部復寫為0）。此時藍牙主機會發送信號至終端，提示用戶有設備出現故障，需要重啟或更換。

LED指示燈及按鍵：TCP連接成功，數據發送成功，藍牙多對一連接成功等都配備了相應的LED指示燈進行提示，方便用戶自己進行檢查與維護，且各部位設備皆有復位按鍵方便重啟。同時還有按鍵強制結束蜂鳴警示，以便在設備進行誤報警時進行手動解除，設備也會對失誤報警進行記錄，方便開發者對準確度進行校正修改。

1.2.4 主控系統軟件設計

主控系統軟件設計流程如圖2所示。

圖2 主控系統軟件設計流程圖

整個主控設備以STM32作為主控芯片，先與云服務器通過TCP協議進行連接。當網絡數據傳輸通道連接成功并且穩定后，使能藍牙的串口中斷。此時分為2個子任務：一個是主控控制4G模塊以5 Hz的頻率向云服務器發送人體姿態數據，另一個任務是判斷4G模塊上報的信息（即云服務器反饋）是否為報警信號。若是，則蜂鳴器模擬報警、取消藍牙串口使能，停止姿態數據的獲取，同時驅動4G模塊獲取當前GPS的定位信息，通過云服務器將定位信息發送給綁定設備的終端。

1.2.5 手環軟件設計

手環部分主要以藍牙芯片NRF51822為核心。對其時鐘、IIC協議初始化完成后，驅動其對MPU6050進行初始化[1]。然后以12.5 Hz的頻率從MPU6050中提取數據，而廣播以10 Hz的頻率，向藍牙主機發送姿態數據。因為考慮到廣播數據丟包和廣播與發送數據沖突等問題，可能會造成從機發出的數據量無法達到需求，所以令藍牙提取姿態數據的頻率比廣播頻率更高一些，這樣就可以讓每個藍牙從機發送至主機的數據量得到保證。同時廣播設定了一定的休眠期，藍牙主機利用休眠的空隙來進行數據的處理和發送。這樣就可以避免提取數據和發送數據2個任務同時訪問數據空間，產生沖突而導致數據發送不全或數據丟失的問題。

1.2.6 云服務器上基于JAVA的TCP客戶端

云服務器上會利用JAVA先建立一個Socket Server（TCP服務器）實時監聽是否有新客戶端連接，然后建立一個客戶端集合對象。每當有一個新的客戶端連接至服務器，JAVA都會新增一個線程，實現多臺客戶端連接服務器。每當有一臺客戶端發送數據，服務器都換轉發給其他客戶端。每個客戶端都會對獲取到的數據IP和ID進行識別，以此來甄別是否為互相綁定的設備客戶端，達到定向接收的效果。

2 判斷跌倒和人體姿態的原理

本系統判斷摔倒的判據分為2部分，第一部分是通過合加速度的大小，判斷是否有過大的瞬時加速度，從而判斷人是否摔倒[2]。為了使判斷更加準確，加入了第二部分——人體姿態檢測。通過檢測人體當前的姿態，進行輔助判斷。

2.1 合加速度

因為MPU6050存在著誤差，且各地的重力加速度有些許差異。在設備使用前會先上電檢測，對傳感器的值進行補償，使傳感器下一次上電后的值更加精確。各方向上的加速度和合加速度公式如下。

各方向加速度公式為：

合加速度[3]公式為：

其中，a原為傳感器的原始數據，g為重力加速度。通過靜止狀態時，傳感器測得的原始數據計算出該傳感器在當地的重力加速度g，后續的加速度計算所用到的重力加速度都基于此值。

補償值得到后即可進行上電使用。MATLAB通過數據計算合加速度，若合加速度大于設定的閾值，再通過演示的姿態輔助判斷。

2.2 人體姿態檢測

本系統所使用的傳感器為MPU6050，通過該傳感器可以讀出加速度和角速度的原始數據，利用自帶的數字運動處理器（Digital Motion Processor）硬件加速引擎，可以將原始數據轉換為四元組數據，通過IIC接口與主控進行數據傳輸，在主控進而完成歐拉角的計算。其中，DMP輸出的四元數是q30格式（浮點數擴大230倍）。想要換算成歐拉角，必須先將其轉換為浮點數，也就是除以230，然后再進行計算。

將q30格式轉換為浮點數：

計算出四元數后，可以通過四元數計算出歐拉角：

在MATLAB程序中，建立三維坐標系，通過歐拉角可以得知，每個傳感器在x、y、z三軸的轉向和所轉的角度，便可得知傳感器的坐標軸與MATLAB所建立的三維坐標軸之間的實時對應關系。再利用三軸加速度數據進行傅里葉變換，積分處理，得到各傳感器的運動軌跡（即人體四肢與腰部的運動軌跡）。進而演示出人體四肢的簡單運動，模擬出人體的姿態[4]。

穿戴設備上電時會有一定的延時，再進行初始化，使使用者在時間內以固定的姿勢靜止，保證人體的姿態與MATLAB開始計算的初始姿態一致，便可進行姿態的實時演示。當檢測出合加速度大于閾值時，若演示出的姿態其腰部高度大于閾值，且其余四肢亦正常活動，則不判斷為摔倒，故不發出警報；若演示出的姿態其腰部低于閾值，四肢活動異常，則發出警報。

目前姿態的模擬準確度還不是很高，其主要原因有2個：一是MPU6050模塊自身具有一定的誤差，得到的歐拉角也存在零漂；二是目前對姿態采集的頻率還不夠高。當加速度突然變化時，捕捉到的加速度的值不夠準確。使得演示的人體姿態不夠精準。進行進一步研究時，計劃通過一些濾波算法，以及提高數據的采集頻率，令人體姿態模擬更加的完善。

2.3 系統模塊介紹與設計

2.3.1 MATLAB演示部分軟件流程圖

系統基于MATLAB R2019b進行設計。接收程序通過TCP/IP協議與云服務器進行通信，接收的數據經過排序處理后輸出形成文件并保存，然后監測報警信息。演示程序開始后循環檢測文件中的數據是否更新，若無則繼續檢測，有則進行數據解算，解算出來的數據改變圖像中人四肢的三維坐標位置實現姿態演示。并通過數據中腰部傳感器測出的3個方向加速度及角度來綜合判斷用戶的異常情況，若有異常情況改變報警數據，接收程序監測到報警信息后將向云服務器發送報警信息[5]。

2.3.2 監測報警系統

報警系統主要是為了讓手環佩戴者的親屬知道姿態異常情況。如佩戴者是老人或者小孩，可以第一時間知道摔倒等情況，采取應急措施。通過建立穩定的TCP連接，只要姿態解算出現異常，立刻就會通過服務器向親屬的報警系統發出信號，通知佩戴者的情況。

3 總結

本設計雖然也是基于MPU6050六軸姿態傳感器，但時相比于其他摔倒檢測裝置，在設備體積上更加輕便小巧，便于穿戴。且利用ATK-GM510模塊后，無論是室內還是室外，只要有網絡信號都可進行遠距離數據傳遞。該設備大部分的數據處理即運算都在云服務器上完成，不需要實際的硬件設備，使得設備維護和使用的更加的方便。且藍牙芯片NRF51822還有多個可驅動的空閑IO口，可以在該設備的基礎上集成更多的外設，實現更多的功能，具有更多的提升空間。本文討論的跌倒遠程報警系統除了合加速度的判斷之外，還加入了人體姿態模擬來進行輔助判斷，不僅提高了準確率，并且人體姿態模擬還可以進行更多的應用，具有一定的創新性、綜合性以及一定的市場價值。