劉欣然

(北京航空航天大學(xué)，北京100191 )

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老人跌倒監(jiān)測定位裝置的研究

劉欣然

(北京航空航天大學(xué)，北京100191 )

摘要:當老人發(fā)生跌倒或者遭遇其他意外危險時，如果未在第一時間得到救治，很可能會導(dǎo)致老人癱瘓或生命安全，針對這一情況，提出了采用三軸加速度計等對老人狀態(tài)進行監(jiān)測和報警的裝置。老人跌倒監(jiān)測定位裝置實時對老人姿態(tài)變化進行監(jiān)測，當老人發(fā)生跌倒或者遭遇其他意外危險時，監(jiān)測裝置報警并通過內(nèi)置的GSM /3G通信模塊和全球定位模塊( GPS)，將所在的位置信息以短信形式，發(fā)送給預(yù)設(shè)的家人或社區(qū)服務(wù)站手機終端，還可通過移動通信的語音通信功能，進行狀態(tài)確認和語音救助指導(dǎo)。對坐、站、步行等狀態(tài)下及俯臥、左右側(cè)臥等姿態(tài)下的數(shù)據(jù)進行了采集處理，結(jié)果表明裝置能正確監(jiān)控并報警，同時可將定位信息發(fā)送到預(yù)設(shè)的手機上。

關(guān)鍵詞:跌倒監(jiān)測;衛(wèi)星定位;三軸加速度計

0引言

現(xiàn)如今，中國逐漸步入老齡化社會，據(jù)老年健康社會問題專家介紹，行動跌倒是危害老年人健康的第一殺手[1-5]。跌倒是指人體失去正常姿勢，意外地跌落在地面或較低的平面上，由于不少老年人患有骨質(zhì)疏松等疾病，他們跌倒后約有十分之一的人會受到嚴重傷害，如頭部損傷、髖關(guān)節(jié)骨折等，由此造成的臥床不起會給老年人及其家人帶來巨大的身心痛苦。而且，老年人出現(xiàn)意外生命危險情況下的第一特征，例如心臟病猝發(fā)等，往往也表現(xiàn)為行動跌倒等。

目前國內(nèi)非常重視老年人健康問題，也有一些監(jiān)測老人心臟等產(chǎn)品，但關(guān)于老人跌倒狀態(tài)檢測的研究還比較少，提出一種人體姿態(tài)實時監(jiān)測裝置方案，老人佩戴此裝置，在發(fā)生跌倒意外危險時，可將老人位置信息實時發(fā)送給家人或社區(qū)服務(wù)站手機終端，使老人在第一時間得到救治。

1總體設(shè)計

本文的跌倒監(jiān)測裝置主要包括4個功能:實時監(jiān)測身體狀態(tài)、位置定位、報警和信息發(fā)送四大功能。該裝置由姿態(tài)監(jiān)測模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊、微處理模塊、報警模塊和電源等6個模塊組成。

該裝置采用電池作為電源，加電工作以后，微處理器開始實時監(jiān)測三軸加速度計的輸出信息，并且判斷是否出現(xiàn)跌倒狀態(tài)，當監(jiān)測到跌倒狀態(tài)的信息或者檢測到報警/取消報警按鈕按下時，裝置通過聲光報警指示模塊(由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成)發(fā)出聲音和光的報警信息，提醒用戶所攜帶的裝置檢測到發(fā)生危險，如果是裝置檢測錯誤或者用戶誤觸報警按鈕，可在20 s內(nèi)按下取消報警按鈕，則裝置重新檢測用戶的狀態(tài)信息，如果沒有及時按下取消報警按鈕，裝置則將GPS定位模塊獲得位置信息，連同預(yù)設(shè)危險報警信息通過GSM通信控制模塊以短信的形式發(fā)送至預(yù)設(shè)的接收手機上。

2姿態(tài)檢測模塊設(shè)計

人處于靜止或水平勻速運動狀態(tài)時，人體僅受重力作用，即Z軸方向的加速度為重力加速度為1 g，另外2個方向即X軸和Y軸上，受力或加速度為0。當人意外跌倒時，理想情況下Z軸分量由1 g變化為0，而另外2個軸X軸或Y軸的分量，則從0變化為最大( 1 g)。具體是X軸還是Y軸發(fā)生這一變化，則由人跌倒后的姿態(tài)決定———平臥為X軸變化，側(cè)臥為Y軸變化;如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿足≈1 g(站立情況下這個矢量和為0)，可以通過計算分析得出與站立不同的加速度分布。

在實際應(yīng)用中，老人的日常運動也不僅僅是靜止和勻速直線運動，僅通過加速度分量的變化很難正確判斷老人跌倒，可能產(chǎn)生誤判或漏判。因此，需建立人體跌倒過程的運動模型，提取跌倒過程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)，是準確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵之一。

監(jiān)測跌倒狀態(tài)可采用傳感器、三軸陀螺儀和三軸加速度計來完成，具體使用哪種方案主要根據(jù)裝置的開發(fā)成本及開發(fā)難度等多因素進行綜合考慮。本文采用三軸加速度計進行姿態(tài)檢測。

2．1跌倒狀態(tài)信號特點

人體通常跌倒的姿態(tài)主要有:向前趴下、前跪下、向后躺下、向后坐下、向左倒下和向右倒下等幾種形式。跌倒一般是一種意外、非故意情況下的身體姿態(tài)的突然變化，而致使身體失去平衡。據(jù)有關(guān)資料說明，這種倒下動作需在300～400 ms的時間內(nèi)，由身體運動產(chǎn)生的矯正力矩去適應(yīng)性的恢復(fù)平衡，若不能，則會產(chǎn)生跌倒;且隨著老年人年齡的增高，反應(yīng)變緩、肌力下降，需要更長的時間才能產(chǎn)生恢復(fù)力矩。

跌倒發(fā)生前，不論是站立還是坐著，軀干都是近乎垂直于地面的，將三軸加速度計以人體軀干方向為Z軸，人體兩側(cè)方向為Y軸，人體前后方向為X軸的形式固定在人體腰部，人跌倒前在受到重力作用的影響下Z軸方向加速度值應(yīng)為1 g，其余2個方向的加速度值近乎為0，當發(fā)生跌倒時，X軸或Y軸加速度值會突然增大，倒在地上瞬間，X軸或Y軸的加速度值再出現(xiàn)突然增大，而后因人體完全接觸地面，在重力加速度的作用下，X軸或Y軸輸出的加速度值會維持在1 g左右，其余2個方向的加速度值近乎為0。

2．2跌倒姿態(tài)檢測算法設(shè)計

一次典型的跌倒通常包括失重、撞擊、靜止以及最終形成與初始狀態(tài)不同的身體狀態(tài)4個過程[1]，因此，通常判斷是否跌倒的算法是:當人體各方向上的加速度矢量發(fā)生變化，通過預(yù)先設(shè)定合適的閾值，當判斷到某方向的加速度矢量或合加速度值超過閾值時，即可判定是否發(fā)生跌倒[6-9]。

老年人跌倒過程實驗研究表明，2種方式可判別發(fā)生跌倒:①通過建立人體三個坐標軸上的加速度計輸出值，求均方根進行閾值判決，即該值大于約2 g時，可認為跌倒發(fā)生;②人體跌倒過程是在1～2 s時間內(nèi)完成的，通過時間窗口提取三軸加速度Z軸方向上分量，出現(xiàn)至少連續(xù)2次脈沖信號，且該脈沖的峰值超過已定的閾值l．89 g，可認為是跌倒發(fā)生。綜合老人倒地過程特點及具體使用中人們對老人倒地報警實時性的要求等方面因素，采用跌倒判定算法如圖1所示。

圖1跌倒判定算法流程圖

2．3跌倒狀態(tài)監(jiān)測電路的設(shè)計

電路設(shè)計是參考MMA7260數(shù)據(jù)手冊中的典型應(yīng)用設(shè)計的，芯片的MMA7260的Xout、Yout和Zout分別于單片機的A/D輸入接口連接，單片機根據(jù)采集到各個方向的加速度值變化情況，判斷人體是否發(fā)生了跌倒。

芯片的g-select1和g-select2直接與單片機的I/ O接口相連接，通過邏輯輸出控制芯片的加速度量程，g-select1與g-select2的輸出為00的加速度量程為±1．5 g，輸出為10的加速度量程為±2 g，輸出為01的加速度量程為±4 g，輸出為11的加速度量程為±6 g。

芯片的sleep引腳用于控制休眠，設(shè)計中直接與單片機的I/O引腳連接，當單片機的I/O引腳輸出低平信號時，則芯片處于休眠模式，系統(tǒng)設(shè)計中沒有利用這一功能，本可以直接連接VDD，但是考慮系統(tǒng)將來可能做擴展，并且單片機引腳也足夠使用，故將單片機引腳一直置高，使芯片一直保持工作狀態(tài)。

3定位功能設(shè)計

采用衛(wèi)星定位和蜂窩基站混合方式進行定位，衛(wèi)星定位就是利用衛(wèi)星對地面的終端進行定位，具有定位精度高的優(yōu)點，終端模塊比較豐富，實現(xiàn)起來較容易，美國的GPS定位系統(tǒng)具有代表性，但是它的缺點是搜索衛(wèi)星速度比較慢，可能因為受到高大建筑物的影響而無法完成定位。

蜂窩基站定位:所謂“蜂窩”即是一個地理區(qū)域被分成的若干個小區(qū)，當移動終端通信時，實際上就是通過某一個蜂窩基站接入網(wǎng)絡(luò)，然后通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)(語音數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等)傳輸?shù)模簿褪钦f在通信時，總是需要和某一個蜂窩基站連接的，或者說是處于某一個蜂窩小區(qū)中的，那么這樣就完成了蜂窩基站定位，其優(yōu)點是定位速度快、室內(nèi)可用等優(yōu)點，缺點是定位精度低。采用混合方式以發(fā)揮各自的優(yōu)點，規(guī)避各自的缺點。

3．1 GPS模塊電路設(shè)計

全球定位系統(tǒng)( Global Positioning System，GPS)，由24顆衛(wèi)星組成( 21顆工作衛(wèi)星; 3顆備用衛(wèi)星)，它位于距地表20 200 km的上空，均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4顆)，軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。

用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機，其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度和時間等信息。

GPS模塊對外采用的是串口輸出，直接與單片機的串口相連接，加電以后自動搜索衛(wèi)星進行定位，單片機通過接收模塊將位置信息進行傳輸。

3．2 GSM通信模塊電路設(shè)計

GSM是當前應(yīng)用非常廣泛的通信制式，移動和聯(lián)通的2G網(wǎng)絡(luò)均采用該制式。本設(shè)計目前只用到了短信功能，采用的是集成的SIM900模塊，該模塊將GSM相關(guān)的電路、協(xié)議等都已經(jīng)完全集成好，只需通過標準的AT命令就可以實現(xiàn)收發(fā)短信功能。

GSM通信模塊與GPS模塊一樣，也是通過串口與單片機相連接，當系統(tǒng)需要對外發(fā)送短信時，單片機控制該模塊利用移動網(wǎng)絡(luò)將報警信息發(fā)送至預(yù)設(shè)的接收手機上。

4實驗結(jié)果與分析

對人體姿態(tài)、跌倒、手動報警等功能進行了驗證實驗，主要包括:

①坐、站、步行等狀態(tài)下，三軸加速度數(shù)據(jù)的采集與處理;②俯臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥等姿態(tài)下的數(shù)據(jù)采集;③手動報警試驗等。

實驗證明:當人體發(fā)生跌倒時，通常情況下裝置可以準確監(jiān)測，并完成報警。但是對于很小幅度的跌倒或者極為緩慢的跌倒時可能會產(chǎn)生漏報。當進行散步或慢跑等小運動量活動時，裝置不會發(fā)生誤判，而當加速跑、跳躍時，裝置還是存在一定誤報可能，當存在漏報和誤報時，可采用手動報警/取消報警功能，作為補充方案。

5結(jié)束語

本設(shè)計是利用三軸加速度計、GPS定位模塊、GSM模塊以及單片機等模塊構(gòu)成系統(tǒng)硬件，采用軟件算法進行老人跌倒姿態(tài)監(jiān)測，同時通過短信形式將定位信息發(fā)送給預(yù)先設(shè)置的接收手機上，通過實驗表明該裝置在通常情況下能正確完成監(jiān)測、報警及定位功能。但對于有些狀態(tài)，還存在漏報、錯報的可能，目前存在的問題，有待于進一步改進硬件設(shè)計和軟件算法來解決。未來還可以增加心肺及體溫等檢測功能，以便更加完善老人的健康檢測。

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Research on Tumble Monitoring Positioning Device for Elderly People

LIU Xin-ran

( Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract:When the old man falls down or is in danger，if he is not taken a cure in time，it is likely to result in paralysis or death．In view of this situation，this paper puts forward the monitoring and alarm device for elderly people by using three-axis accelerometer．This device can monitor in real time the posture change of old man，send out the alarm and transmit the location information to the handset terminal of family or community service station through built-in GSM/3G communication module and GPS．The situation identification and voice rescue guidance are implemented through mobile voice communication function．The data collection is performed for sitting，standing，walking，left or right sidelying，etc．The results show that this device can correctly performed monitoring and alarm，and transmit the location information to the preset handset．

Key words:tumble monitoring; GPS positioning;three-axis accelerometer

作者簡介:劉欣然( 1996—)，女，大二學(xué)生，主要研究方向:電子信息工程。

收稿日期:2015-07-09

中圖分類號:TN965．3

文獻標識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-82-4