基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人意外摔倒的監(jiān)控報(bào)警設(shè)計(jì)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)在定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程控制等管理和服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其通過(guò)將無(wú)處不在的末端設(shè)備和各種設(shè)施通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)服務(wù)。

專家指出，意外摔倒已成為高齡老人致死的第一殺手。老人因意外摔倒不能及時(shí)救助會(huì)造成嚴(yán)重的后果，發(fā)生意外時(shí)若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警，可大幅減少摔倒后的危險(xiǎn)程度。

國(guó)內(nèi)關(guān)于老年人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、及時(shí)救助方面的研究還不多，本設(shè)計(jì)將應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)感知和定位老人意外摔倒的信息并報(bào)警提醒使得老年人的意外摔倒得到及時(shí)的救助。

系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用現(xiàn)代電子技術(shù)及通訊技術(shù)，通過(guò)對(duì)人體紅外線的監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與正?；顒?dòng)下進(jìn)行比對(duì)來(lái)判斷是否發(fā)生意外；當(dāng)老人意外跌倒，系統(tǒng)可立即發(fā)現(xiàn)并定位地理位置自動(dòng)報(bào)警并通知親屬，這樣可以避免老人發(fā)生意外無(wú)人救助或猝死。這個(gè)裝置不但無(wú)射線，對(duì)人體無(wú)害，而且老人無(wú)需任何操作，系統(tǒng)邏輯框圖如圖1。

系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)

硬件主要構(gòu)成：ARM單片機(jī)、三軸加速度傳感器。人體形姿的轉(zhuǎn)變中，重力是影響運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的主要因素。人體運(yùn)動(dòng)的速度、加速度以及位移在摔倒過(guò)程和正常行走狀態(tài)均會(huì)產(chǎn)生明顯差異。采用三軸加速度傳感器，在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)到三個(gè)軸向的加速度，運(yùn)用算法取一定時(shí)間域的疊加值，并經(jīng)過(guò)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，然后比對(duì)分析判斷出人體相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和摔倒信息。如果判斷為意外摔倒，系統(tǒng)將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定位地理區(qū)域等信息并發(fā)送監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)在第一時(shí)間通知給監(jiān)護(hù)對(duì)象的親屬，使得老年人使用改系統(tǒng)得到及時(shí)的救助。

基于三軸加速度傳感器的摔倒檢測(cè)

導(dǎo)致老年人摔倒有很多因素，比如視力障礙、腦梗阻、突發(fā)心臟病、行動(dòng)關(guān)節(jié)出問(wèn)題等等，不管哪種突發(fā)因素，其摔倒的共性都是人體失去平衡能力。這種不由自主產(chǎn)生的突發(fā)行為導(dǎo)致老年人摔倒在地上，在摔倒過(guò)程中發(fā)生的可能的姿勢(shì)包括前俯摔倒、后仰摔倒、向左摔倒和向右摔倒，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯框圖

圖2 人體摔倒姿勢(shì)分析

本設(shè)計(jì)中摔倒檢測(cè)是采用ADXL345三軸數(shù)字輸出加速度傳感器實(shí)時(shí)采集人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三個(gè)方面的加速度信號(hào)從而感知人體姿態(tài)的變化，老年人平時(shí)運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢，而在摔倒過(guò)程中加速度變化會(huì)很明顯，其中有四個(gè)主要變化特征可作為摔倒檢測(cè)判別準(zhǔn)則。一是，ADXL345的Free_ Fall中斷可以檢測(cè)跌倒開(kāi)始發(fā)生的失重；二是，ADXL345的Activity中斷可以檢測(cè)出跌倒時(shí)候與地面發(fā)生沖擊的撞擊；三是，ADXL345的Inactivity中斷可以檢測(cè)跌倒撞擊地面之后的短暫靜止?fàn)顟B(tài)；四是，發(fā)生跌倒之后，人體經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)三軸加速度與初始值的變化。

便攜式終端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)便攜式監(jiān)護(hù)終端基于Android操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。Android系統(tǒng)是專為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)，其良好的可移植性、應(yīng)用程序的開(kāi)放性等特征具備便攜式意外摔倒監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)的可行性和技術(shù)要求，Android采用嵌入式Linux內(nèi)核，在ARM上的移植與Linux的移植類似，主要分為三個(gè)部分：引導(dǎo)程序、系統(tǒng)內(nèi)核及文件系統(tǒng)的移植。

該便攜式監(jiān)護(hù)終端的Android操作系統(tǒng)中，關(guān)鍵部分是加速度傳感器驅(qū)動(dòng)，它是連接Android操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備的關(guān)鍵紐帶，其對(duì)硬件抽象層和ADXL345三軸數(shù)字輸出加速度傳感器皆很重要，加速度傳感器參數(shù)初始化、分析處理檢測(cè)到的加速度變化等功能都由該部件實(shí)現(xiàn)，便攜式終端硬

件結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 便攜式終端硬件結(jié)構(gòu)圖

結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人摔倒監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用了三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)摔倒?fàn)顟B(tài)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于Android系統(tǒng)的便攜式監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)，完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，成功幫助老年意外摔倒及時(shí)通知救助。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，在老年人的心臟病發(fā)作監(jiān)測(cè)、小孩走失跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域還有待進(jìn)一步研究。

圖4 降水量在三種布站方案下的內(nèi)插隨機(jī)誤差與距離的關(guān)系曲線

表2 不同季節(jié)氣溫及降水量在不同布站方案下的最大容許誤差及最大容許距離

結(jié)語(yǔ)

（1）統(tǒng)計(jì)分析了賀蘭山沿山地區(qū)近三年日平均氣溫與月降水量的結(jié)構(gòu)函數(shù)與距離的關(guān)系，其擬合曲線基本呈線性關(guān)系，在研究的區(qū)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)函數(shù)隨距離的增加而增大，但不同季節(jié)的結(jié)構(gòu)函數(shù)均不同，氣溫的空間梯度變化在冬季最大，然后是秋季、春季、夏季。

（2）分析了內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)誤差與距離的關(guān)系，當(dāng)大于某一距離時(shí)，無(wú)論是氣溫還是雨量，正三角形中心內(nèi)插的精度最低，且這一臨界距離僅在夏季氣溫時(shí)最大，最大約為25 km，其余均在10 km以內(nèi)。所以重點(diǎn)分析正三角形中心內(nèi)插，而在此內(nèi)插方案下，賀蘭山沿山地區(qū)布站精度小于等于10.5 km時(shí)，均滿足內(nèi)插的標(biāo)準(zhǔn)誤差小于觀測(cè)的隨機(jī)誤差。

（3）采用統(tǒng)計(jì)方法分析站網(wǎng)時(shí)，要求在不同距離上有較多的站點(diǎn)且每一站點(diǎn)的數(shù)據(jù)盡可能的豐富。文章僅研究賀蘭山沿山地區(qū)，站點(diǎn)不夠密集、且研究的時(shí)間跨度有限，有可能導(dǎo)致研究結(jié)果不夠準(zhǔn)確。而站網(wǎng)的合理分布是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，還應(yīng)考慮重要城鎮(zhèn)、主要工礦企業(yè)、人口聚集區(qū)、主要交通干線及其他防汛重點(diǎn)區(qū)域。文章僅從純業(yè)務(wù)的角度考慮了氣象觀測(cè)間距問(wèn)題。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.033