基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測系統(tǒng)設計

梁楷博，吳有龍，蘇 杰，沈 亮，潘星穎，鄭 坤，葉 晴

（1.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，大多數(shù)建設管理者都選擇物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)管模式來替代傳統(tǒng)的人工巡視，以達到安全管理的要求。在工地的安全管理工作中，為施工人員的安全帽引入慣性傳感器、蜂鳴器，然后連接阿里云服務器，不失為一個線上線下雙報警的良好管理辦法。智能安全帽就是物聯(lián)網(wǎng)技術革新以及生產(chǎn)需求不斷提高的智能化產(chǎn)物。

由于系統(tǒng)中的傳感器類型不同，可以將跌倒檢測系統(tǒng)分為基于環(huán)境的跌倒檢測系統(tǒng)、基于圖像的跌倒檢測系統(tǒng)和基于可穿戴設備的跌倒檢測系統(tǒng)。基于環(huán)境的跌倒檢測系統(tǒng)是將各種傳感器放在活動區(qū)域，通過檢測摔倒時發(fā)出的反饋信息來判斷用戶是否摔倒。但基于環(huán)境的跌倒檢測系統(tǒng)易受外部環(huán)境干擾，且條件限制較多，難以滿足實際要求。基于圖像的跌倒檢測系統(tǒng)主要通過安裝攝像頭，并對采集的圖像進行處理，從而判斷用戶的身體狀態(tài)。Alemdar等人通過攝像頭與慣性傳感器采集用戶信息，在此基礎上進行摔倒檢測。基于圖像的跌倒檢測系統(tǒng)受位置因素的限制，無法在室外進行跌倒檢測，存在較大的局限性。

基于可穿戴設備的跌倒檢測系統(tǒng)通過佩戴在用戶身上的傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后對采集的數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷用戶的行動狀態(tài)。目前，市場上大部分跌倒檢測系統(tǒng)都是基于穿戴設備的跌倒檢測系統(tǒng)，但效果難以讓用戶滿意。一方面，設備過于笨重且需要頻繁充電，導致佩戴不便；另一方面，跌倒檢測算法還不完善，經(jīng)常出現(xiàn)誤報。本文利用嵌入式技術、傳感器技術、通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術等設計了一種基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測系統(tǒng)流程如圖1所示。該系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，硬件部分包括慣性傳感器MPU6050、蜂鳴器、通信模塊Air202s、定位模塊ATGM336H，負責采集數(shù)據(jù)并傳輸信號至STM32單片機；軟件部分主要為管理者實時監(jiān)測施工人員是否跌倒和位置信息提供平臺，同時存儲歷史信息。北斗模塊將佩戴安全帽的施工人員實時精確位置信息通過網(wǎng)絡傳送至數(shù)據(jù)庫，通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)網(wǎng)功能捕獲位置信息。

圖1 系統(tǒng)流程

2 相關技術

2.1 北斗衛(wèi)星定位技術

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)并且獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，與目前的全球定位系統(tǒng)GPS、GLONASS和GALILEO相比，北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能符合設計要求，相較于其他衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，有著更加優(yōu)秀的信號強度和定位精度。空間段、地面段和用戶段共同組成了北斗定位系統(tǒng)，衛(wèi)星信號傳播路徑示意圖如圖2所示。

圖2 北斗衛(wèi)星信號傳播路徑示意圖

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT全稱為Message Queuing Telemetry Transport，也被稱為消息隊列遙測傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議于1999年由IBM公司發(fā)布，該協(xié)議在TCP/IP協(xié)議的基礎上發(fā)展而來。MQTT最大的優(yōu)點在于，為設備提供可靠性高、實時性強的消息服務時，無需使用大量代碼以及對帶寬無較大要求。MQTT作為一種即時通信協(xié)議，具有低開銷和低帶寬等優(yōu)點，使其在移動應用方面，特別是在物聯(lián)網(wǎng)項目中有較廣泛的應用。

2.3 跌倒檢測技術

跌倒檢測目前有三種方案，分別是基于環(huán)境的跌倒檢測、基于視頻的跌倒檢測以及基于穿戴設備的跌倒檢測。基于環(huán)境的跌倒檢測利用壓力傳感器來監(jiān)測壓力變化，當壓力變化超過正常狀態(tài)時，就判斷為跌倒；基于視頻的跌倒檢測利用監(jiān)控攝像頭拍攝視頻圖像，再利用機器學習，將拍攝到的視頻或圖像與正常狀態(tài)進行比對，從而實現(xiàn)跌倒判斷。基于穿戴設備的跌倒檢測利用加速度計與陀螺儀進行，當加速度以及角度超過設定閾值時，就判定為跌倒。

在閾值判斷檢測算法中，為解決人跌倒時方向的不確定性對測量數(shù)據(jù)造成影響的問題，引入了SVM（Signal Vector Magnitude, SVM）人體加速度向量幅值，定義如下：

式中：a，a，a是三維空間坐標系中X，Y，Z軸上的加速度；SVM為加速度的矢量和。

利用SVM可以完整反映跌倒時加速度的變化，同時不受跌倒方向的影響，極大降低了算法的復雜度。現(xiàn)有的閾值判斷算法以SVM判斷人體是否跌倒為基礎。步行過程中跌倒的SVM波形如圖3所示。

圖3 步行跌倒時SVM波形圖

從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，人在正常步行時，SVM通常圍繞1g上下浮動，而在跌倒時，人體會在一段時間內(nèi)呈現(xiàn)失重狀態(tài)。但SVM的最小值一般為0.4g，在跌倒觸地瞬間，SVM出現(xiàn)最大值，一般為1.6g。基本閾值判斷檢測算法對SVM進行判斷，將加速度傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合得到SVM，如果SVM值圍繞1g上下浮動，則判定為正常狀態(tài)；如果SVM的值超出了正常閾值，則判定為跌倒狀態(tài)。

2.4 GPRS技術

GPRS的全稱為General Packet Radio Service，也被稱為通用無線分組業(yè)務，是一種以GSM技術為基礎的分組交換技術。隨著信息技術的發(fā)展，移動通信至今為止已經(jīng)發(fā)展到第五代。第一代為模擬無線網(wǎng)絡；第二代是數(shù)字通信，包括GSM和CDMA；第三代是分組型移動業(yè)務，最廣泛的應用是WCDMA和CDMA2000，也被稱為3G；第四代數(shù)字通信被稱為4G，其目標是使移動網(wǎng)絡具有寬帶上網(wǎng)能力；第五代是最新的數(shù)字通信技術，也被稱為5G，它是4G技術的發(fā)展和延伸。GPRS技術是第二代數(shù)字通信技術和第三代數(shù)字通信技術的混合體，具有GSM技術的通話服務，并為用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務，適用于傳輸數(shù)據(jù)量較小且傳輸頻繁的數(shù)據(jù)。

2.5 STM32單片機

STM32單片機的內(nèi)核為ARM Cortex-M3，該內(nèi)核具有性能高、成本低和功耗低等優(yōu)點。在本系統(tǒng)中，選用的單片機型號為STM32F103C8，該產(chǎn)品器件采用3.6 V電源供電，正常工作的溫度范圍為-40～85 ℃。STM32F103C8系列有多款產(chǎn)品，這些產(chǎn)品包含不同的外設集，用戶可根據(jù)自身需求選擇。STM32F103C8包含1個12位的ADC、2個比較器、2個16 位通用定時器、2個32位通用定時器、2個16位基本定時器、2個16 位高級定時器。還包含標準的通信接口：2個IC接口、3個SPI接口、1個USBOTG接口、1個CAN接口、1個SDIO接口和8個UART接口，完全滿足本系統(tǒng)的使用需求。本系統(tǒng)連接方式如圖4所示。

圖4 實物連接圖

3 功能闡述

3.1 用戶功能

當?shù)箼z測模塊檢測為異常狀態(tài)時，蜂鳴器發(fā)出警報，并提供施工人員位置信息。若該狀態(tài)并非跌倒狀態(tài)，則施工人員可自行按下按鍵解除蜂鳴器報警。

3.2 管理者功能

在后臺查看施工人員信息，若有施工人員被判定為跌倒狀態(tài)，可在后臺看到該施工人員狀態(tài)為異常（紅色），并顯示施工人員的位置信息，如圖5所示。

圖5 跌倒狀態(tài)的Web界面

4 硬件設計

STM32單片機主要負責硬件系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。STM32單片機供電后先將定位模塊、跌倒檢測模塊以及通信模塊初始化，隨后通過串口接收定位模塊發(fā)來的GPS信息，若GPS信息為無效信息，則繼續(xù)接收定位模塊發(fā)送的定位信息；若GPS信息為有效信息，則對該信息進行拆分，提取出經(jīng)緯度信息，并將經(jīng)緯度信息通過串口發(fā)送到通信模塊。跌倒檢測模塊進行身體姿態(tài)的判定，如果判斷為正常狀態(tài)，則每隔15 s將身體狀態(tài)信息與經(jīng)緯度信息通過通信模塊發(fā)送到阿里云平臺；如果跌倒檢測模塊檢測到了傾角變化，且傾角大于90°，維持時間大于15 s，則判斷為跌倒狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)出警報。此時，如果該狀態(tài)并非真實跌倒狀態(tài)，則可以通過按下按鍵解除蜂鳴器報警，否則，蜂鳴器持續(xù)報警，并將跌倒狀態(tài)以及經(jīng)緯度信息通過通信模塊上傳至阿里云平臺。本系統(tǒng)的硬件電路設計如圖6所示。

圖6 硬件電路設計

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測系統(tǒng)。施工人員的安全問題是當前關注的重點，本產(chǎn)品對施工人員的安全帽進行創(chuàng)新升級，可以及時對施工人員由于高溫、心臟疾病等原因出現(xiàn)的跌倒或昏迷做出反應，并發(fā)出警報提供位置信息，為施工人員的生命安全提供保障。相比于傳統(tǒng)人工巡視，該系統(tǒng)在提高工作效率的同時大幅節(jié)省了人力資源。