摘要：21世紀的中國將是一個不可逆轉的老齡社會，隨著社會的飛速發(fā)展，人口老齡化的趨勢逐年增加。伴隨而來老年人這一群體的明顯弱點也逐漸體現(xiàn)出來——易跌倒，正因為這個弱點，使得許多老年人不敢出行。因此，在手機上開發(fā)一項檢測老年人跌倒的軟件系統(tǒng)是必要的。本文研究和探討了在不同情況下發(fā)生跌倒時，利用加速度傳感器，在30秒內判斷出是否發(fā)生跌倒，并且在發(fā)生跌倒后，軟件將會調用SMS的相關函數(shù)將發(fā)送短信息給該老人的監(jiān)護人。

關鍵詞：加速度傳感器；跌倒檢測；SMS

中圖分類號：TP274

隨著我國經濟的發(fā)展及生活、醫(yī)療水平的提高，人們的壽命逐漸提高，老年人在人口中所占比例也逐漸上升。2000年我國60歲以上和65歲以上的人口占總人口的比例分別為10.31%和7.17%。2010年根據(jù)第六次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國60歲以上人口約為1.78億，占總人口的13.26%，其中，65歲以上人口約占8.87%，分別較2000年的數(shù)據(jù)上升2.93和1.91個百分點，中國已經步入老齡化社會[1]，而且有快速發(fā)展的趨勢。預計到本世紀中葉，60歲以上老年人將超過4億，約占總人口的25%[2]。

隨著老齡化的發(fā)展，老年人的健康問題已經成為當前突出的問題。由于老年人的認知水平、平衡協(xié)調能力、視力、聽力均有不同程度的下將，以及腦血管病、骨質疏松等慢性疾病的增多，老年人發(fā)生跌倒事件的機會大大增多，形成明顯的群體特征—易跌倒，所產生的后果更加嚴重。跌倒所致外傷在老年人外傷中所占比例很大，大部分為軟組織損傷，骨折占5%，其中約25%的髖部骨折老年人在6個月內死亡，另有5%為較嚴重的軟組織外傷，如關節(jié)積血、脫位等[3]。此外，跌倒還可引發(fā)中風等疾病的發(fā)生。跌倒后的恐懼心理可以降低老年人的活動能力，使其活動范圍受限，生活質量下降，故對老年人的身心健康造成極大的影響。統(tǒng)計顯示，在65歲以上的老年人群中，每年有約30%至少跌倒一次，且在85歲以上的老年人中，40%的跌倒事件可以導致死亡[4]。據(jù)WHO統(tǒng)計，2002年全球有近40萬人死于跌倒，其中60歲以上者占50%以上，70歲以上者占40%[5]。目前，我國每年至少有2000萬人發(fā)生一次或多次跌倒，由此造成的直接醫(yī)療費用約50億元，與之相關的后續(xù)費用高達160-800億元[6]，給家庭及社會造成了巨大的壓力。

老年人跌倒是生理、心理、社會、環(huán)境因素共同作用的結果，目前關于老年人跌倒危險性尚無明確有效的檢測方法及評估方法，因此，早期發(fā)現(xiàn)并獲得相應的治療，是降低傷殘率和死亡率的關鍵[7]。隨著我國老齡化的發(fā)展及受獨生子女政策的影響，“空巢老人”逐漸增多，而社區(qū)醫(yī)療發(fā)展不到位，很難及時發(fā)現(xiàn)老年人跌倒等意外傷害，更不能使老年人在跌倒的第一時間內得到有效的救治，因此發(fā)展遠程跌倒監(jiān)測系統(tǒng)具有極為重要的意義。

隨著計算機技術及通信技術的發(fā)展，通過便攜式電子裝置對人體跌倒進行檢測成為可能。目前，國外已有關于老年人遠程跌倒監(jiān)測系統(tǒng)，如：A.Blake borough[8]設計的基于房間內地板振動檢測的跌倒檢測器。A.Six smith等[9]研制的基于紅外信號和圖像信息的檢測器。但是由于受成本、便攜性及應用范圍的局限性的影響而使其應用推廣受到限制。國內尚無關于跌倒遠程監(jiān)測的產品，但關于跌倒監(jiān)測算法和系統(tǒng)設計的研究較多，如：趙祥欣等[10]以三維加速度傳感器為基礎，采用了三維加速度傳感器MMA726O、處理器MSP430F149及通訊模塊的結構組合方案，搭建了三維加速度監(jiān)測系統(tǒng)，提出了以SVM或SMA為特征量，以人體活動、靜息狀態(tài)及姿態(tài)為輔助判據(jù)的算法，取得了90%以上的識別準確率。謝開明等[11]設計的基于GPRS的跌倒檢測報警系統(tǒng)，在SMV閾值算法基礎上輔以傾角檢測，提高了算法的有效性，能更有效的區(qū)分日常生活及跌倒。

本文擬提出一種基于Android平臺的老年人跌倒檢測遠程報警系統(tǒng)，在便攜性的基礎上，在老年人跌倒的第一時間發(fā)出訊息通知其監(jiān)護人。

1 跌倒檢測的相關技術分析

1.1 跌倒檢測分析

當失去平衡而跌倒時，一般人的身體會發(fā)生向一個方向傾倒的狀態(tài)，從而不自主的失去平衡。發(fā)生跌倒時，身體會在瞬間向移動方向傾倒，從而身體重心會產生一個較大的加速度值，以產生的加速度值來判斷老人是否跌倒。

1.2 坐標分析

原始的坐標系是二維的笛卡爾坐標系，而三維笛卡爾坐標系是在二維的基礎上根據(jù)右手定則增加第三維坐標（Z軸）而形成的。若定義一個原點的位置（0，0，0）則坐標系中任意一點A的位置都可以用（x，y，z）來表示。如圖1所示。

同時A點還可以用向量來表示，若A的向量為r，用i，j，k分別表示與x，y，z軸正方向平行的單位向量則r可以表示為：r=xi+yj+kz

1.3 Android加速度傳感器的工作原理

Android手機內的加速度傳感器能夠檢測出移動設備在三維空間中的加速度，傳回對應的三個方向的參數(shù)數(shù)值，就能判斷物體的加速度及運動方式[9]。三個坐標軸方向分別是：x軸正方向為平行于屏幕由屏幕的左邊指向右邊，y軸正方向為平行屏幕由屏幕的下方指向上方，z軸正方向為垂直屏幕指向屏幕外。如圖2所示。

需要特別注意的是要區(qū)分傳感器坐標系中的加速度（即手機設備本身實際的加速度），而不是從加速度傳感器中讀取的加速度參數(shù)值。這兩者的區(qū)別在于是否將重力加速度計算其中，計算物體實際加速度需要考慮重力作用，但是加速度傳感器傳回的數(shù)值中只能反映設備本身外力所產生的加速度。

2 跌倒檢測相關算法

2.1 跌倒的閾值判斷

人在無意識的條件下由站立或平坐姿勢向躺倒姿勢的轉變，即為跌倒。在這一姿態(tài)轉變過程中，重力將是影響作用者一運動的主要因素。在跌倒過程中，人的加速度、速度和位移均發(fā)生了變化，通過傳感器傳回的數(shù)值可以對使用者的狀態(tài)進行建模，以此來對使用者的身體姿態(tài)進行分析。如圖3所示：

通過對姿態(tài)的分析能夠判斷能夠排除劇烈運動或一些其他正?；顒訋淼恼`報情況，以提高檢測的準確率。

2.2 跌倒算法實現(xiàn)

由于跌倒事件具有隨機性，故跌倒方向無法預知，所以不宜采用某一軸向的加速度數(shù)據(jù)區(qū)判斷跌倒事件的發(fā)生。跌倒算法采用了SMV閾值的跌倒檢測方法[12]，該方法的優(yōu)點在于忽略了加速度的空間方向，將空間加速度進行矢量和運算，將矢量和與閾值相比來初步判斷是否跌倒。矢量和的計算如下公式所示，其中x，y，z分別為X，Y，Z三軸的方向加速度。

該軟件算法實現(xiàn)的流程人圖4所示。

當傳感器的三個數(shù)值劇增并且達到閾值，那么就可以初步判斷發(fā)生跌倒，進而進一步判斷是否發(fā)生跌倒，即在接來下的持續(xù)的幾個時間間隔內，傳感器傳回的數(shù)值是否幾乎不變并且趨向于零，若為零則可以進入下一步判斷（此處判斷用來排除劇烈或一些正常活動），下一步則是排除大部分無法預期的活動而產生的誤報，因此在這里設置了一個確認框用來確認是否發(fā)送急救短信，若點是或者等待30秒無確認則可基本確定老人摔倒了，這時軟件將會發(fā)送一個短信給老人的監(jiān)護人，監(jiān)護人收到短信后經電話確認老人是否摔倒。

3 輔助模塊的設計

SMS是通過手機發(fā)送和接受有限長度的文本信息的功能（即短消息服務），其實現(xiàn)方式可以分為點到點的短消息業(yè)務和廣播短消息業(yè)務。本文中是點對點的消息業(yè)務，它可以將一條短信息從一個實體發(fā)送到指定的目的地址。具體實現(xiàn)如圖5：

使用者事先在軟件中存入監(jiān)護人的手機號及短信內容（我跌倒了），軟件運行后經過跌倒算法判斷出老人摔倒時，調用SmsManager類的SmsManager的sendTextMessage方法講短信發(fā)送給其監(jiān)護人。

4 論文總結與展望

4.1 論文工作總結

本文針對老年人易跌倒和跌倒過后可能產生嚴重后果的這一現(xiàn)實問題，提出了一種適用于老年人跌倒檢測的遠程實時報警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。文中對系統(tǒng)中所用到的Android加速度傳感器以及加速度的采集原理作了系統(tǒng)的理論和實驗研究。同時對軟件的總體設計模塊進行了一個詳細的闡述，對用戶終端的研究與設計理念進行了說明。最后系統(tǒng)闡述了基于Android平臺的跌倒檢測遠程報警系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)原理和方法。本文主要的研究總結如下：

（1）采用手機自帶的傳感器，輕巧便捷，可隨身攜帶。

（2）使用SMS來實現(xiàn)老人跌倒后的后續(xù)業(yè)務。

（3）采用SMV閾值算法來計算加速度，以降低誤報率，提高準確率。

（4）設置的跌倒確認（30秒確認發(fā)送短信）可以有效減少誤報。

4.2 研究展望

在本論文的研究過程中，發(fā)現(xiàn)了很多值得探討和進一步研究的問題。

（1）老人摔倒而產生的加速度的閾值較難確定，若閾值設置的較小則會出現(xiàn)較多誤報情況，而閾值設置較高則會多出一些漏報情況。

（2）可以進一步對老年人跌掉的嚴重情況進行研究，針對老年人跌掉的加速度的變換，可以對老年人跌掉的嚴重情況進行預測。

（3）在本文研究的基礎上，可以通過Android的傳感器來測量老人的體溫、心率、呼吸、等更多的生理指標來判斷是否發(fā)生跌倒，以此來減少誤報率。

參考文獻：

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[12]曹軍.基于SMS的遠程控制系統(tǒng)在汽車防盜中的應用.合肥：合肥工業(yè)大學，2008.

作者簡介：倪逸揚（1991-），浙江麗水人，杭州電子科技大學10級計算機。