肖 麗，付 蔚，王 平

(重慶郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)與智能儀器儀表教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

據(jù)資料調(diào)查顯示，跌倒是造成中國(guó)65歲以上老年人傷害死亡的首位原因［1］。針對(duì)老年人易跌倒的情況，除了事前的防范之外，更重要的是在老年人跌倒后，第一時(shí)間通知家人和醫(yī)院，及時(shí)進(jìn)行救護(hù)，將傷害降到最低。因此，建立一套完善的遠(yuǎn)程跌倒檢測(cè)報(bào)警監(jiān)測(cè)與通信系統(tǒng)是非常必要的［2］。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

這里設(shè)計(jì)的跌倒檢測(cè)報(bào)警遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由三大部分組成:遠(yuǎn)端跌倒監(jiān)護(hù)報(bào)警設(shè)備，監(jiān)護(hù)端，兩者間的通信網(wǎng)絡(luò)。

遠(yuǎn)程跌倒檢測(cè)報(bào)警儀主要負(fù)責(zé)對(duì)人體姿態(tài)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到佩戴者發(fā)生跌倒后，進(jìn)行本地聲光報(bào)警，發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息。同時(shí)跌倒檢測(cè)報(bào)警儀還具有危急情況主動(dòng)報(bào)警功能和遠(yuǎn)程報(bào)警號(hào)碼修改和掉電保存功能。

監(jiān)護(hù)端由手機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)組成。手機(jī)用于及時(shí)接收短信或者電話報(bào)警信息;遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)用于接收來(lái)自智能家居服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的跌倒報(bào)警信息，并實(shí)時(shí)地在監(jiān)控主頁(yè)上進(jìn)行報(bào)警提示和報(bào)警信息的存儲(chǔ)，以便在老人跌倒后進(jìn)行及時(shí)救助。

通信網(wǎng)絡(luò)由GPRS和IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡(luò)組成。GPRS網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)將報(bào)警信息以短信或電話的方式通知家人和醫(yī)院;IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將跌倒報(bào)警信息轉(zhuǎn)發(fā)至智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)上。

圖1 系統(tǒng)總拓?fù)鋱D

系統(tǒng)總拓?fù)鋱D如圖1所示。LM3S1138處理器、蜂鳴器、輸入按鍵、GPRS通信模塊、IEEE 802.15.4e通信模塊以及電源等部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

跌倒檢測(cè)報(bào)警儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由加速度傳感器、處理器采用的是TI公司的Cortex-M3內(nèi)核的LM3S1138處理器。該處理器是一款32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核(ARM v7M架構(gòu))的、兼容Thumb-2指令集的、能提高代碼密度25%以上的、以50 MHz的運(yùn)行頻率能加快代碼運(yùn)行速度35%以上的高性能低價(jià)格的處理器［3］。

加速度傳感器采用的是美國(guó)ADI公司的ADXL345。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器，采用3 mm×5 mm×1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝，分辨力高，測(cè)量范圍達(dá)±16g，可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度［4］，是一款非常適合做跌倒檢測(cè)用的加速度傳感器。

GPRS模塊采用的是華為公司的GSM模塊，使用50-PIN B2B連接器接口方式，為外圍設(shè)備提供UART接口、SIM卡接口等［5］。這里GPRS模塊通過(guò)串口與核心處理器相連接，核心處理器通過(guò)AT指令配置，能與其進(jìn)行有效的通信。

CC2430無(wú)線模塊采用的是本實(shí)驗(yàn)室基于即將發(fā)布的國(guó)際IEEE 802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)、自主研發(fā)的協(xié)議棧軟件。該協(xié)議棧支持自組織和終端設(shè)備自適應(yīng)入網(wǎng)、支持信標(biāo)幀調(diào)度和三次握手進(jìn)行DSME分配的機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)充性好，資源分配效率高，有效地解決了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在的隱蔽問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)具有良好的自組織性和高可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 加速度傳感器的基本工作原理

加速度傳感器工作的基本原理是牛頓第二定律，F(xiàn)=ma，其中F為物體所受作用力，m為物體的質(zhì)量，a為作用力F產(chǎn)生的加速度。

加速度傳感器就是將加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的儀器。在加速度傳感器中是通過(guò)測(cè)量作用力F來(lái)測(cè)量加速度的，在傳感器內(nèi)部利用電磁力平衡作用力F，就能得到作用力F與電壓(電流)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其本質(zhì)是通過(guò)作用力造成傳感器內(nèi)部敏感器件變形，測(cè)得器件的變形量，并通過(guò)相應(yīng)的電路處理轉(zhuǎn)化成電壓或電流輸出，從而得到相應(yīng)的加速度信號(hào)或信息。

3.2 算法的研究與實(shí)現(xiàn)

在使用加速度傳感器時(shí)要得到準(zhǔn)確的加速度值，首先應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行人工矯正［6］。因此將加速度傳感器靜止放在桌面上，X軸在左右方向上，Z軸在前后方向上，Y軸在重力加速度方向上，則此時(shí)Y軸應(yīng)該輸出大小為1g的加速度，X軸、Z軸應(yīng)輸出0g。若有偏差則應(yīng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后Y軸輸出為-1g，X軸、Z軸則輸出0g。

為了對(duì)跌倒時(shí)加速度變化情況進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析，主要采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試的方式。以下對(duì)老人日常行走，坐下、起身，以及向前、向后、向左、向右的跌倒進(jìn)行了模擬測(cè)試，并對(duì)其加速度變化進(jìn)行觀察分析。

測(cè)試時(shí)2位同學(xué)將三軸加速度傳感器通過(guò)松緊帶佩戴在腰前位置。三軸加速度的方向?yàn)閄軸在左右方向上、Y軸在上下方向上，其中Y軸的正方向與重力方向一致，Z軸在前后方向上。其中當(dāng)軸的方向與重力加速度方向相反時(shí)加速度為正。因而初始靜止時(shí)X軸、Z軸的輸出值應(yīng)為0g，Y軸的輸出值為-1g。因跌倒可能發(fā)生在任何方向上，若只對(duì)其中1個(gè)軸的加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，因而應(yīng)將3個(gè)軸的加速度的矢量和作為特征量進(jìn)行分析、監(jiān)測(cè)。

圖3為正常行走時(shí)的3個(gè)軸上的加速度與加速度矢量和的變化情況。圖4為正常坐下時(shí)的加速度的變化情況。

圖3 正常行走時(shí)的加速度與加速度矢量和的變化情況

圖5 為正常起身時(shí)加速度變化的情況。圖6為向后跌倒時(shí)的加速度變化情況。

通過(guò)對(duì)以上的測(cè)試實(shí)驗(yàn)觀察分析發(fā)現(xiàn):1)正常行走時(shí)加速度變化范圍小，且加速度矢量和大小始終保持在1g與1.5g之間;2)正常坐下時(shí)人體的加速度矢量和將先減小到1g以下，后增大到1g至1.5g之間;3)正常起身時(shí)加速度矢量和將會(huì)先增大后減小，但變化幅度較小，不超過(guò)0.5g。

觀察向前、向后、向左、向右跌倒的加速度矢量和變化曲線發(fā)現(xiàn)，在跌倒發(fā)生的過(guò)程中，加速度矢量和都將有一個(gè)先減小后增大的過(guò)程。加速度矢量和減小的原因是當(dāng)人體發(fā)生跌倒時(shí)首先身體會(huì)失去平衡，導(dǎo)致所受的地面支持力減?。?］，將會(huì)出現(xiàn)失重狀態(tài)，加速度矢量和將會(huì)有一個(gè)減小的過(guò)程，在人們發(fā)生跌倒之初會(huì)出現(xiàn)失重狀態(tài)，加速度矢量和都會(huì)先降低到0.5g以下;在跌倒發(fā)生失重之后人體著地的瞬間，人體與地面將會(huì)發(fā)生猛烈的沖擊，地面對(duì)人體的支持力將會(huì)遠(yuǎn)大于人體的自身的重力，沖擊將會(huì)使人體出現(xiàn)瞬間猛烈超重狀態(tài)，從而導(dǎo)致加速度猛烈增大;著地后人體將會(huì)有段時(shí)間的靜止，此時(shí)加速度矢量和大小接近于人體正常站立時(shí)的加速度值;但對(duì)跌倒后的靜止觀察發(fā)現(xiàn)，3個(gè)軸的加速度與初始的狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化。

通過(guò)以上的分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論人們從哪個(gè)方向發(fā)生了跌倒，人的身體狀態(tài)都會(huì)經(jīng)歷失重、超重、靜止、加速度方向明顯改變等幾個(gè)過(guò)程。因此，可將這幾個(gè)條件作為檢測(cè)人體是否發(fā)生跌倒的判斷條件。

人體發(fā)生跌落時(shí)必將經(jīng)歷以上幾個(gè)狀態(tài)，因此可以將以上幾個(gè)狀態(tài)進(jìn)行合理的組合作為檢測(cè)跌倒的依據(jù)。

系統(tǒng)初始化完，進(jìn)入算法檢測(cè)狀態(tài)，如果在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到以上所有狀態(tài)同時(shí)加速度變化超過(guò)一定范圍則認(rèn)為人體發(fā)生跌倒，發(fā)出聲光預(yù)警，聲光預(yù)警10 s，如果在聲光預(yù)警的10 s內(nèi)沒(méi)有取消預(yù)警按鍵輸入，則通過(guò)GPRS模塊自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信或者自動(dòng)撥號(hào)到家人或者監(jiān)護(hù)人員的手機(jī)上，同時(shí)通過(guò)IEEE 802.15.4e將報(bào)警信息發(fā)送至智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行報(bào)警提示和信息的存儲(chǔ);若在10 s內(nèi)有取消報(bào)警按鍵輸入，則停止聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警。同時(shí)跌倒報(bào)警儀還有緊急求救功能，如果老人遇到危急情況可手動(dòng)按下報(bào)警按鍵進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。報(bào)警號(hào)碼的遠(yuǎn)程修改功能，可以實(shí)時(shí)地接收手機(jī)短信，設(shè)置新的報(bào)警號(hào)碼。號(hào)碼掉電存儲(chǔ)的功能可防止設(shè)備掉電后報(bào)警號(hào)碼的丟失。算法流程圖如圖7所示。

4 測(cè)試及結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性和本算法的正確性，將進(jìn)行以下幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試:正常行走，正常坐下、起身，向左、向右跌倒，向前、向后跌倒。因本實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，因而并未請(qǐng)老人參加實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由5位同學(xué)佩戴檢測(cè)儀在墊子和沙發(fā)上完成。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8中左側(cè)柱、右側(cè)柱分別為第1組、第2組測(cè)試結(jié)果，每組的各個(gè)項(xiàng)目都進(jìn)行200次測(cè)試，第2組測(cè)試是對(duì)第1組測(cè)試出現(xiàn)的問(wèn)題分析后又進(jìn)行的測(cè)試。

在坐下、起身項(xiàng)目中，如果迅速用力坐到沙發(fā)上，在200次的測(cè)試中出現(xiàn)了2次錯(cuò)誤報(bào)警。所以在第2組測(cè)試時(shí)，采用正常較慢的速度坐到沙發(fā)上，就不再會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警。

在第1組向左、向右、向前、向后跌倒測(cè)試中，分別出現(xiàn)了6次、5次、3次、4次的應(yīng)該報(bào)警而未發(fā)生報(bào)警的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析，如果每次測(cè)試間隔時(shí)間過(guò)短，GPRS工作進(jìn)程還未結(jié)束，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確的檢測(cè)報(bào)警。在第2組測(cè)試時(shí)，在上一次報(bào)警結(jié)束30 s以后，再進(jìn)行下一次測(cè)試，就不再會(huì)出現(xiàn)應(yīng)該報(bào)警而未發(fā)生報(bào)警的情況，達(dá)到了滿意的檢測(cè)效果。

5 小結(jié)

經(jīng)過(guò)多次的佩戴測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的基于三軸加速度傳感器ADXL345，LM3S1138，GPRS和IEEE 802.15.4e的跌倒報(bào)警儀集成度高、體積小、實(shí)時(shí)性好，且能較精確地檢測(cè)到各個(gè)方向上發(fā)生的跌倒情況，同時(shí)本文采取的跌倒后先采用本地聲光預(yù)警，在預(yù)警過(guò)程中如果沒(méi)有取消報(bào)警的舉措就確認(rèn)報(bào)警，這一方式進(jìn)一步提高了跌倒報(bào)警的精確度，降低了誤報(bào)率，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］李冬，梁山.基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(9):85-88.

［2］王德富，周子萍，谷瀟，等.針對(duì)老年人的關(guān)愛(ài)電視遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)［J］.電視技術(shù)，2011，35(21):124-127.

［3］EasyARM1138Datasheet［EB/OL］.［2011-11-20］.http://www.embedtools.com/pro_kaifa/ARM/EasyARM1138/easyarm1138_jianjie.pdf.

［4］ADXL345DataSheet［EB/OL］.［2011-11-20］.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL345.pdf.

［5］EM310DataSheet［EB/OL］.［2011-11-20］.http://wenku.baidu.com/view/1a2aac6aaf1ffc4ffe47ac11.html.

［6］陳衛(wèi)，楊忠，夏玉亮，等.MEMS加速度傳感器在微型特種機(jī)器人中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(7):110-113.

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