廣東工業(yè)大學自動化學院　梁高生

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基于九軸傳感器的老年人跌倒檢測系統(tǒng)設計

廣東工業(yè)大學自動化學院梁高生

在不斷增長的人口和老齡化加劇，壽命延長和慢性疾病發(fā)病率增加等許多因素作用下，越來越多的家用便攜式監(jiān)護儀進入了公眾們的視線，特別是監(jiān)護儀在醫(yī)用和家用這兩個方向的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)跌倒成為了老年人意外死亡的主要原因。針對我國空巢老人人數(shù)的不斷增長的現(xiàn)象，本文設計了一款針對老年人的跌到檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用九軸傳感器對加速度、角速度和陀螺儀的數(shù)據(jù)進行不斷采集，然后把數(shù)據(jù)傳給主控芯片進行分析處理，從而判斷出老年人是否發(fā)生跌倒，再通過GPS和GSM進行精確定位，然后把這些數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)護人，從而進行快速的救治。

跌倒檢測；九軸傳感器；加速度；角速度；陀螺儀

1　引言

老年人跌倒檢測指的是當老年人摔倒過程中，加速度和角速度發(fā)生很大的變化，在地上時，身體的姿態(tài)發(fā)生變化。通過對這些參數(shù)進行處理，從而檢測出老年人發(fā)生了跌倒情況。當老年人意外跌倒時，可以得到有效快速的治療，為老年人的身體健康加上一層保護層。

目前，我國老年人人數(shù)的不斷增加，而老年人的身體狀況也成為了一個比較嚴峻的課題，跌倒是危害老年人健康的主要原因，采用什么措施對老年人的跌倒進行實時監(jiān)測也迫在眉睫，本系統(tǒng)利用先進的九軸慣性傳感器（三軸加速度、三軸角速度和三軸陀螺儀傳感器）實時采集人體活動姿態(tài)數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析融合后提取特征向量，經(jīng)過跌到算法檢測老年人是否跌倒，若發(fā)生跌倒，則通過報警系統(tǒng)進行報警，并把這一情況實時的，快速的發(fā)送給監(jiān)護人，通過GPS和GSM獲得此時的準確位置，使監(jiān)護人可以第一時間獲得老年人的位置，進行第一時間的救治。此系統(tǒng)也為老年人的跌倒檢測提供了一種新思路。

2　整體設計方案

系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)硬件整體框架

系統(tǒng)硬件平臺主要由主控制器模塊、慣性傳感器模塊、通信定位模塊、電源管理模塊、用戶按鍵和蜂鳴器構成。

九軸傳感器模塊上的三軸角速度傳感器、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器負責采集人體運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，傳輸給主控制器；主控制器控制整個系統(tǒng)的運行和對采集數(shù)據(jù)進行跌倒檢測算法處理；報警蜂鳴器和用戶按鍵通過I/O口接入主控芯片；具有GPS/ GSM通信定位功能的SIM808模塊由主控制串口發(fā)送命令控制；電源管理模塊為系統(tǒng)的各個模塊提供供電，并為鋰電池充電。

3　硬件電路設計

3.1主控制器設計

本設計側重于便攜，并且可以實現(xiàn)遠程檢測，經(jīng)過分析，STM32L151RBT6具有高集成度和低功耗等優(yōu)勢，具有3級流水線和哈佛結構，其操作頻率可達32MHz。STM32微控制器外設非常豐富，集成了大部分的系統(tǒng)設計需要的全部外圍設備，并且功耗低，性能高，能夠滿足本系統(tǒng)設計的需要，因此系統(tǒng)的主控芯片選用了該微控制器。

3.2定位單元設計

本設計的定位采用GPS+GSM組合定位，GSM模塊要用到的是它的短消息功能，利用短消息將GPS定位信息發(fā)送給手機或PC機。在緊急情況下，系統(tǒng)自動將GPS定位信息以短信方式發(fā)送給監(jiān)護手機，確保監(jiān)護人能及時知道老年人的位置。并且監(jiān)護手機也可以發(fā)送短信到MCU來獲取老年人的位置。

3.3跌倒檢測單元設計

本系統(tǒng)采用Invensense的九軸傳感器MPU9250來采集人體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。MPU9250的具有三個16位加速度AD輸出，三個16位陀螺儀AD輸出，三個6位磁力計AD輸出。精密的慢速和快速運動跟蹤，提供給客戶全量程的可編程陀螺儀參數(shù)選擇（±250，±500，±1000，and±2000° /秒（dps）），可編程的加速度參數(shù)選擇±2g，±4g，±8g，±16g，以及最大磁力計可達到±4800uT。此外，還有可編程的數(shù)字濾波器，40-85℃時帶高精度的1%的時鐘漂移，嵌入了溫度傳感器，并且?guī)в锌删幊讨袛?，支持SPI通信，通過SPI通信與主控制器進行數(shù)據(jù)傳輸，通過采集模塊上的加速度傳感器和陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，分析后獲得人體的姿態(tài)狀態(tài)，從而判定老年人的身體狀況，得出是否跌倒。

4　系統(tǒng)軟件程序框架

系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示，系統(tǒng)上電后首先對各個設備模塊進行初始化，包括GPIO、SPI、串口、中斷定時器、慣性傳感器以及GPS等。然后讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進行算法分析，判斷是否有跌倒行為。若無，則重入數(shù)據(jù)讀取流程；若發(fā)生跌倒事件，設備馬上通過蜂鳴器發(fā)出聲音警報，若用戶十秒內(nèi)沒通過按鍵關閉警報，設備通過短信通知監(jiān)護人的同時，將檢測數(shù)據(jù)及位置信息上報至遠程監(jiān)護服務器。

5　結束語

本文設計了一種基于九軸傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)，不但可以準確快速的判斷老年人的跌倒狀況，而且可以快速實時的把數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護人，使老年人在跌倒時，得到快速的救治。經(jīng)過測試，這個系統(tǒng)在實驗室的環(huán)境下，可以完成對老年人的跌倒檢測，并把數(shù)據(jù)快速的發(fā)給監(jiān)護人。這個系統(tǒng)的設計也為老年人跌倒檢測方面的研究貢獻一點力量。

［1］王剛.基于多傳感器的可穿戴跌倒檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.北京工業(yè)大學，2015.

［2］臧楠.老人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.西安電子科技大學，2013.

［3］孫新香.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測技術的研究與應用［D］.上海交通大學，2008.

［4］王曉萌.基于ARM的老年人跌倒與連續(xù)血壓檢測系統(tǒng)設計［D］.蘭州理工大學，2013.

［5］Li Q，Stankovic J A，Hanson M A，et al.Accurate，F(xiàn)ast Fall Detection Using Gyroscopes and Accelerometer-Derived Posture Information［C］. Wearable and Implantable Body Sensor Networks，2009.BSN 2009.Sixth International Workshop on.IEEE，2009:138-143.

［6］徐亞龍.基于三軸加速度的跌倒檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.廣西大學，2015.

［7］Zhengming F，Delbruck T，Lichtsteiner P，etc.An Address-Event Fall Detector for Assisted Living Applications［J］.IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2（2）:88-96.

梁高生（1900—），男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向：醫(yī)療器械設備與嵌入式系統(tǒng)設計。