申　晗 程恩琥

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

低成本老人居家跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申晗 程恩琥

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

本文針對(duì)我國老齡化嚴(yán)重、看護(hù)資源不足，老人在家意外跌倒不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)無法得到救治的問題，研究分析了跌倒檢測技術(shù)及老人生活環(huán)境，基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技術(shù)提出一種腳部運(yùn)動(dòng)特征值信號(hào)向量幅值（signal vector magnitude，SVM）和傾斜角（tilt angle，TA）的多閾值跌倒判別及滯后修正方法，結(jié)合無線充電技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于CC2530的低成本老人居家跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)。老人在家意外跌倒時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)向預(yù)設(shè)監(jiān)護(hù)人發(fā)送報(bào)警短信，具有低成本、低功耗、高可靠性的特點(diǎn)。

CC2530；ZigBee；SVM；TA；跌倒檢測；無線充電

據(jù)相關(guān)資料顯示，全世界每年有近50萬人因跌倒受傷、失去活動(dòng)能力甚至失去生命。老年人因其身體各項(xiàng)機(jī)能的衰退，受到意外跌倒影響更加嚴(yán)重。然而多數(shù)情況下跌倒并不是造成死亡的直接因素，而是由于傷者不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)得到救治。每年因意外跌倒造成的醫(yī)療費(fèi)用達(dá)50余億元，間接社會(huì)代價(jià)更為巨大。隨著智能家居的高速發(fā)展，智能人體跌倒檢測克服了傳統(tǒng)手動(dòng)式報(bào)警裝置在受監(jiān)護(hù)者跌倒后失去活動(dòng)能力甚至失去意識(shí)時(shí)無法實(shí)施報(bào)警的缺點(diǎn)。但智能家居行業(yè)仍處于起步發(fā)展期，成本較高，不易于大范圍推廣。因此，設(shè)計(jì)一種低成本、實(shí)時(shí)有效的跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)是非常必要的。本文提出一種將MEMS微機(jī)電系統(tǒng)嵌入鞋底、對(duì)腳部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的特征值信號(hào)向量幅值SVM和傾斜角TA的多閾值跌倒判別及滯后修正方法，結(jié)合無線充電技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于CC2530的低成本老人居家跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)，老人在家意外跌倒時(shí)，可及時(shí)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送報(bào)警短信，使老人得到及時(shí)救助，將傷害降到最低，滿足居家老人使用需求。

1.跌倒檢測技術(shù)

目前，用于人體跌倒檢測的研究方法主要分為3類：一是基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，利用監(jiān)視器采集人體活動(dòng)視頻，再進(jìn)行圖像處理，從而觀測人的活動(dòng)狀態(tài)和姿態(tài)等信息。二是基于音頻傳感器技術(shù)，主要通過分析跌倒時(shí)人體沖擊地面導(dǎo)致的振動(dòng)來進(jìn)行判斷，當(dāng)?shù)孛嬲駝?dòng)傳感器采集到振動(dòng)信息時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而判斷人體是否跌倒。三是利用加速度傳感器、陀螺儀等微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）對(duì)人體加速度、角度等信息進(jìn)行判別，從而實(shí)現(xiàn)跌倒檢測。

受我國經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)及企業(yè)主要存在形式的影響，老年人居住環(huán)境較為集中，且由于住宅年代久遠(yuǎn)建筑技術(shù)的限制，使得住宅存在光線暗、隔音差、不易于二次改造等問題。綜合以上因素，基于MEMS的跌倒檢測技術(shù)更適用于我國居家老人的監(jiān)護(hù)?，F(xiàn)有的MEMS的跌倒檢測系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)主要從智能手環(huán)或智能手機(jī)獲取。但對(duì)于老年人智能手機(jī)不易攜帶和保管，智能手環(huán)雖然采用低功耗技術(shù)續(xù)航時(shí)間長，但其仍需定期充電且束縛感強(qiáng)。因此本文提出一種將MEMS傳感器嵌入鞋底對(duì)腳部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的特征值進(jìn)行多閾值跌倒判別及滯后修正的方法。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由跌倒檢測判別單元、監(jiān)控報(bào)警單元、監(jiān)測端組成。跌倒檢測判別單元與監(jiān)控報(bào)警單元采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無線通信，監(jiān)控報(bào)警單元利用GPRS技術(shù)向監(jiān)護(hù)人員發(fā)送報(bào)警信息。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

當(dāng)老人正?；顒?dòng)時(shí)，跌倒檢測單元會(huì)實(shí)時(shí)檢測老人的活動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生意外跌倒時(shí)，檢測判別單元將根據(jù)加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，利用Zigbee無線通信技術(shù)將檢測信息傳輸?shù)奖O(jiān)控報(bào)警單元，通過發(fā)送的信息識(shí)別出老人所處位置和跌倒?fàn)顟B(tài)，利用SIM800技術(shù)將檢測信息結(jié)果和位置信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)人員，以便于摔倒老人及時(shí)得到救治。

系統(tǒng)采用Zigbee組網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)整棟樓的用戶的摔倒事故的檢測判別，各用戶可同時(shí)使用一個(gè)監(jiān)控報(bào)警單元，極大地節(jié)約了成本。

跌倒檢測判別單元可按照需求內(nèi)嵌到任意鞋子內(nèi)部，穿著方便，不會(huì)影響舒適度，同時(shí)當(dāng)用戶休息時(shí)，可將鞋子放在床邊地毯等特定位置，利用無線充電技術(shù)進(jìn)行充電，簡單方便。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要分為電源管理電路、腳部姿態(tài)檢測電路以及CC2530外圍電路，系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

2.1.1跌倒檢測判別單元設(shè)計(jì)

跌倒檢測判別單元主要利用三軸加速度傳感器和陀螺儀采集人體腳部的運(yùn)動(dòng)信息，通過SVM和TA算法判斷老人是否跌倒以及跌倒的姿態(tài)。

跌倒檢測判別單元采用MPU6050加速度傳感器采集腳部姿態(tài)信息。MPU6050內(nèi)部集成用于加速度和角度識(shí)別的三軸加速度傳感器和陀螺儀。其可通過軟件程序控制最大加速度測量值可達(dá)±16g，角速度最大感測值可達(dá)±2000°/sec（dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，對(duì)腳部的3個(gè)方向的加速度和傾斜角進(jìn)行測量識(shí)別。

MPU6050采用單電源供電，供電方便，采用QFN20封裝，機(jī)械尺寸僅為4×4×0.9mm，大大節(jié)省空間，符合本設(shè)計(jì)實(shí)際需求。

2.1.2無線通信模塊

跌倒檢測判別單元與監(jiān)控報(bào)警單元通信采用基于CC2530無線通信模塊的Zigbee技術(shù)，該技術(shù)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠以極低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其具體性能指標(biāo)見表1。

表1　 Zigbee技術(shù)性能指標(biāo)

Zigbee傳輸速率快，數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)，搭建成本和功耗低，支持?jǐn)?shù)據(jù)多種傳輸模式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)65000個(gè)，完全滿足組網(wǎng)數(shù)量要求，同時(shí)工作頻率采用2.4GHz，具有很較強(qiáng)的抗干擾性能，特別適用于低功耗、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸場合。CC2530內(nèi)嵌8051內(nèi)核，無須利用外部MCU單元，極大地節(jié)約了制作成本。

監(jiān)控報(bào)警單元和監(jiān)測點(diǎn)之間采用SIM800技術(shù)進(jìn)行短信通信，SIM800是一款尺寸緊湊、小巧的可支持4頻的GSM/ GPRS模塊，采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，性能強(qiáng)大。只需使用AT指令，無須復(fù)雜的軟件編程即可實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警功能。

2.1.3無線充電設(shè)計(jì)

無線充電部分采用芯科泰公司的無線充電解決方案，無線充電模塊采用無芯圓形螺旋電感線圈作為無線充電的發(fā)射、接收線圈。無線供電采用“磁耦合共振”技術(shù)。當(dāng)發(fā)射端通電時(shí)，在其周圍形成一個(gè)交變的磁場，作為發(fā)射線圈和接收線圈能量傳遞的媒介。強(qiáng)度與地磁場在同一數(shù)量級(jí)，不會(huì)形成電磁干擾，且傳輸損耗小。本設(shè)計(jì)中，無線充電單元的發(fā)射線圈采用5V～12V直流電壓供電，適合居家使用；接收線圈體積小，外徑為38mm，內(nèi)徑為30mm，厚度1.6mm，適合安裝在鞋內(nèi)，滿足系統(tǒng)對(duì)無線充電的要求。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括腳部姿態(tài)加速度和角速度的基于閾值的判別。將加速度傳感器采集得到的3個(gè)方向的加速度合成成為信號(hào)向量幅值SVM，如式（1）所示。

傾斜角TA表示老人腳部角度發(fā)生變化的幅度，意外跌倒過程中會(huì)使腳部產(chǎn)生較大的傾斜角，TA表達(dá)式如下所示：

由于人體在發(fā)生意外跌倒時(shí)情況種類較多，為了降低誤報(bào)率，提高檢測精度，算法以SVM和TA值作為判斷依據(jù)，設(shè)定正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的閾值作為參考，以檢測跌倒后續(xù)一段時(shí)間的三軸加速度值作為滯后修正依據(jù)。如圖3所示為跌倒檢測判別單元的軟件程序流程圖。

3.系統(tǒng)性能測試

3.1電源部分測試

對(duì)無線充電單元的充電性能進(jìn)行測試，如圖4所示為電源部分測試示意圖，通過改變提離值，測試接收線圈電流值，以判斷是否滿足系統(tǒng)工作需求。

提離值分別為0～6mm時(shí)接收線圈接收到的電流值，見表2。

表2　不同提離值對(duì)應(yīng)的接收電流數(shù)值

由表2可知，提離值的大小影響接收電流的大小，當(dāng)提離值為6mm時(shí)，接收電流仍可達(dá)到132mA，完全滿足實(shí)際中對(duì)TP4056充電芯片的工作條件要求。

對(duì)跌倒檢測判別單元功耗進(jìn)行測試，其工作電流僅為32mA，配備2000mA時(shí)電池，跌倒檢測判別單元連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)60小時(shí)以上。

3.2模擬測試實(shí)驗(yàn)

考慮到老年人的安全問題，本實(shí)驗(yàn)樣本為男女青年各兩名，在實(shí)驗(yàn)中增加身體負(fù)重，以模擬老年人運(yùn)行速度，分別模擬4個(gè)方向的單只腳的摔倒過程以及意外碰撞的過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)同時(shí)對(duì)兩只腳進(jìn)行檢測時(shí)，準(zhǔn)確率將會(huì)提升。

結(jié)論

（1）本文提出一種新的傳感器安裝方法，將姿態(tài)檢測傳感器內(nèi)嵌在鞋子內(nèi)部，極大地方便了老人的使用，利用無線充電技術(shù)，便于用戶充電。系統(tǒng)工作電流僅為32mA，配備2000mA時(shí)鋰電池，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)60小時(shí)以上，滿足老人使用需求。（2）系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的腳部姿態(tài)判別算法極大地降低了老人摔倒的誤報(bào)率，具有很高的可靠性和準(zhǔn)確性。（3）系統(tǒng)采用CC2530集成的片上SOC解決方案，內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051內(nèi)核，成本低，滿足大范圍推廣條件，節(jié)約了社會(huì)養(yǎng)老成本。

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