馬少卿，孫榮霞，馬 征

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000)

基于單片機的老人跌倒檢測裝置*

馬少卿，孫榮霞，馬 征

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000)

設計了一種基于單片機的老人跌倒檢測裝置，采用加速度、陀螺儀傳感器采集原始信號。在進行數據融合時采用自適應互補濾波算法，從頻域角度消除噪聲。針對該裝置設計了一種計算量小的跌倒檢測算法，并且加入了GPS定位裝置和GSM短信模塊。實驗證明該跌倒檢測算法計算量小、誤判率低，并且能夠實現精準定位。

跌倒檢測；加速度；無線通信

0 引言

研究表明，老年人跌倒發(fā)生率高，后果嚴重，是老年人的首位傷害死因[1]。而且跌倒的發(fā)生概率會隨著年齡的增長而升高，如果能夠及時救助，可有效降低跌倒老人的死亡率[2]。

目前研究開發(fā)人體跌倒檢測系統(tǒng)方面的技術主要有兩種：圖像分析法和加速度分析法[3]。基于圖像分析法，準確率高，但是檢測算法繁瑣，成本高，不方便攜帶[3]。基于加速度分析法，不但成本低，而且不受環(huán)境的限制，功耗低，方便攜帶[4]。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計利用六軸陀螺儀加速度計MPU6050進行原始信號的采集，采樣頻率為100 Hz，在進行姿態(tài)解算時，利用互補濾波器進行濾波，通過對三軸加速信號進行預處理，引入合成加速度。為了能夠排除干擾，準確檢測出跌倒，將姿態(tài)角和合成加速作為特征量，引入三級跌倒檢測算法。一旦檢測出跌倒，立即對老人的位置進行定位，同時閃光燈閃爍。等待30 s后，如果用戶沒有手動取消報警，則蜂鳴器發(fā)出聲響，同時向目標手機和120發(fā)出報警短信。系統(tǒng)還設置了一鍵報警功能。用戶的家人可以通過向本裝置發(fā)送短信來獲取老人的當前位置信息，防止老人走丟。

系統(tǒng)的硬件主要包括慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、GSM/GPRS模塊、GPS定位模塊、藍牙4.0模塊、以STM32F103ZET6為核心的控制器、電源模塊、按鍵等。系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1 跌倒檢測系統(tǒng)框圖

慣性測量單元選用的是InvenSense公司的MPU6050芯片，它能夠同時檢測三軸加速度和三軸角速度，可以輸出數字量，并且傳感器的測量范圍是可選的。加速傳感器的測量范圍選擇為±8 g，陀螺儀的測量范圍選擇為±1 000 dps，可以滿足系統(tǒng)的要求。其外圍電路如圖2所示。利用芯片內部的數字運動處理器進行姿態(tài)解算，大大降低了開發(fā)的使用難度。

圖2 MPU6050外圍電路

GPS定位模塊選用UBLOX公司的NEO-6M模組，該模塊體積小、功耗低、搜星能力強，并且可以連接各種有源天線，非常適合應用到便攜式設備中。

GSM/GPRS模塊選用SIMCOM公司的工業(yè)級四頻SIM800芯片，可以實現低功耗語音和數據的傳輸。用戶可以通過AT指令進行撥叫號碼、接收短信、啟動GPRS網絡等功能。

藍牙4.0模塊選用HM-13系列的藍牙模塊，用藍牙進行數據傳輸最有利的一個方面就是功耗低。低功耗藍牙技術大幅降低了系統(tǒng)的功耗，只需要用硬幣大小的電池即可保證系統(tǒng)正常運行幾個月，非常適合應用在便攜式設備中。

按鍵的主要功能是提供手動報警和手動取消報警，以降低系統(tǒng)的漏判和誤判對用戶造成的損失,同時還設置了一鍵報警的功能。

2 跌倒檢測算法

2.1 特征值預處理

2.2 姿態(tài)解算

在進行數據解算時通過對角速度積分獲得人體姿態(tài)角，短時間內精度高，但是陀螺儀存在漂移誤差，經過積分運算后會變成積累誤差，最終導致電路飽和。相反利用加速度求解姿態(tài)角，其測量誤差不會隨時間的積累而增加[6]。但是加速度傳感器在人體運動時會給測量帶來白噪聲，短時間內精度較低。

通過上述分析可知，加速度傳感器低頻段動態(tài)響應較好，但是在高頻段表現不好。陀螺儀動態(tài)響應好，但是存在漂移誤差。所以在進行數據融合時采用自適應互補濾波算法，從頻域的角度來消除噪聲，發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，輸出穩(wěn)定可靠的姿態(tài)角[7]?；パa濾波器的原理框圖如圖3所示。

圖3 互補濾波器原理框圖

其中x為實際的姿態(tài)角，u1和u2為傳感器在測量時引入的高頻噪聲和低頻噪聲。加速度傳感器引入的高頻噪聲由低通濾波器F1(s)濾除，陀螺儀引入的低頻噪聲由高通濾波器F2(s)濾除。兩個濾波器在頻域上具有互補特性，濾波器的傳遞函數滿足F1(s)+F2(s)=1。

2.3 分類過程

通過上一小節(jié)的分析，設計了跌倒檢測算法，檢測參數為合成加速度和姿態(tài)角。為了了解跌倒過程中加速度變化規(guī)律，將檢測裝置放于腰間，測試者模仿老人跌倒，并同時記錄測試者三軸加速度變化。選取測試過程中具有代表性的一組數據，用Excel進行繪圖分析。如圖4所示。

圖4 人體跌倒時的合成加速度變化曲線

從圖4中可以看出，當人體靜止時，合成加速度在1g左右。當測試者跌倒時，其加速度先減小，然后增大，最后趨于平穩(wěn)。整個過程持續(xù)了2 s左右。由此可以得到，跌倒是一個短暫的過程，這一過程測試者經歷了失重、撞擊和靜止三種狀態(tài)。

跌倒過程中合成加速度最大值在2.6g上下，且有7個連續(xù)的采樣點合成加速度都在2.0g以上。并且通過對人體姿態(tài)角采樣，在跌倒后至少有一個姿態(tài)角的絕對值大于45°。

用同樣的方法模擬老人正常走、快步走、坐下起立、跳躍、跑步等日?；顒?，同時對合成加速度和姿態(tài)角進行了采樣、繪圖、分析[8]，結果如表1。

表1 運動狀態(tài)分析

通過上述分析，把連續(xù)6個采樣點的合成加速度大于2.0g作為分類條件，可將跌倒與正常走等非劇烈運動區(qū)分開。同時還可以將跌倒與快步走、跑步等周期性劇烈運動區(qū)分開。為了減小誤判率，可將跌倒后的類靜止狀態(tài)作為分類條件。最后通過判斷人體的姿態(tài)，進一步減小誤判率。

3 實驗結果與分析

為了測試跌倒檢測裝置的誤判率和漏判率，邀請5名志愿者(年齡：23～27歲，身高：160～180 cm，男2人，女3人)分別模仿老人正常走、快步走、坐下、跑步、跳躍等日常活動，共測得125組數據，如表2所示。另外讓5名志愿者模仿老人向前、向后、向左、向右跌倒。共測得100組數據。

表2 日常活動檢測結果

從表2可以看到，檢測裝置對于正常走、快步走等運動的誤判率為0%，而對于跳躍、跑步等劇烈運動的誤判率達4%?？紤]到老人進行激烈活動的次數較少，如果出現誤判，老人可以手動取消報警信號。

測試者在模仿老人跌倒試驗中，向前或向后跌倒時，漏判次數較少，準確率高達92%。但是在向左或向右跌倒時，漏判次數較多。這是由于測試者均為模擬老人跌倒，而且跌倒的方向并不是嚴格意義上的某一方向，所以會出現不同程度的漏判。在檢測到跌倒以后，該裝置能夠將包含測試者位置信息的短信息完整地發(fā)送到目標手機。

4 結論

本文設計了一種基于單片機的老人跌倒檢測裝置，可以實現對老人跌倒檢測，并且利用GPS對老人進行定位，同時將報警信息發(fā)送到目標手機上。此裝置容易擴展，可加入可燃氣體探測器、心率檢測傳感器，組成一套針對老人健康的檢測系統(tǒng)。

[1] 王劍.基于MEMS三軸加速度計的跌倒檢測電路的設計[J].自動化技術與應用,2013,32(6):81-84.

[2] 陳煒,佟麗娜,宋全軍,等.基于慣性傳感器件的跌倒檢測系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(8):117-119.

[3] 王榮,章韻,陳建新.基于三軸加速度傳感器的人體跌倒檢測系統(tǒng)設計與實現[J].計算機應用,2012,32(5):1450-1452.

[4] 徐雷,張瑾,馬騰,等.基于GSM網絡的老年人身體姿態(tài)檢測系統(tǒng)設計[J].信息化研究,2014,40(6):65-68.

[5] 谷敏敏,劉進軍,安寧.基于多姿態(tài)識別的被動入侵檢測模型研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(6):17-20.

[6] 孫金秋,游有鵬,傅忠云.基于自適應顯式互補濾波的姿態(tài)解算方法[J].測控技術，2015,34(4):24-27.

[7] 杜波,張卓,劉垚.卡爾曼濾波在人體姿態(tài)檢測中的應用[J].長春工程學院學報(自然科學版),2015,16(3):98-101.

[8] 李易陸,陳洪波,蔣曉旭,等.基于三軸加速度傳感器的人機交互智能手環(huán)[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(5):412-415.

西門子推出高性價比基本型工控機

·全新Simatic IPC327E箱式PC和Simatic IPC377E平板式PC進一步擴展了Simatic IPC產品線

·最佳用于對性價比要求較高的應用

·應用廣泛：HMI、裝配工作站、倉儲物流、數據采集和網絡以及圖像處理等

·8種配置，直接庫存供貨，交貨期短，可選配12、15或19英寸單點觸摸寬屏顯示器

西門子近日再次擴展其工控機系列，推出了Simatic IPC327E箱式PC和Simatic IPC377E面板式PC。這兩款無風扇基本型工控機針對諸多工業(yè)自動化應用進行了優(yōu)化，性價比更高，尤其適用于HMI(人機界面)應用、組裝工作站、倉儲物流、數據采集(如生產和能源數據)，以及生產網絡和簡單的圖像處理。與已可供貨的Simatic IPC347E機架式PC一起，專門設計用于機器制造商、分銷商和系統(tǒng)集成商。該系列工控機免維護，可連續(xù)24小時運行，采用最新PC技術，配有多種實用接口。目前，可現貨交付8款預配置型號：帶12、15或19英寸單點觸摸式寬屏顯示器的面板式PC和箱式PC。用戶可選擇預裝Windows 7 Ultimate操作系統(tǒng)。

如果對工業(yè)環(huán)境中的證書、溫度范圍或保護等級無特定要求，使用全新Simatic IPC327E和IPC377E基本型工控機，可快速實施相關應用。與所有Simatic工控機一樣，均為最高質量打造，最佳適用于工業(yè)環(huán)境，提供有豐富選件，部件之間可完美協(xié)同，無風扇設計，配有密封機箱，堅固可靠，使用壽命長。采用最先進PC技術，配有多種接口，可輕松集成到新的和現有自動化解決方案中。均配有一個Intel Celeron四核處理器、一個500 GB硬盤、一個VGA和DisplayPort口、一個PCIe迷你接口、兩個千兆以太網接口和多達六個COM口和USB 3.0接口。

全新Simatic IPC327E箱式PC和Simatic IPC377E基本型面板式PC進一步完善了西門子Simatic工控機產品線。包括可擴展基本型、高級型、高端型和嵌入型箱式、面板式和機架式PC，以及專用型號。Simatic工控機系列，涵蓋從緊湊型無風扇嵌入式工控機到功能強大的可擴展高端工控機，均為工業(yè)應用而專門設計。對于移動自動化工程，用戶還可使用Simatic現場編程器和Simatic便攜式工控機。

如需了解更多信息，請訪問西門子中國網站：www.siemens.com.cn。

(西門子(中國)有限公司 供稿)

The fall detection device based on single chip microcomputer

Ma Shaoqing，Sun Rongxia，Ma Zheng

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071000, China)

An elders fall detection device based on single chip microcomputer is designed in this paper. Accelerometer and gyro sensor are used to acquire the original signal. In the data fusion using adaptive complementary filtering algorithm, from the frequency domain to eliminate noise. A fall detection algorithm with small computation is designed, and the GPS positioning device and GSM SMS module are added. Experimental results show that the algorithm has the advantages of low computational complexity, low false positive rate, and accurate positioning.

fall detection；acceleration；wireless communication

河北省研究生創(chuàng)新資助項目(S2016015)

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.029

馬少卿，孫榮霞，馬征.基于單片機的老人跌倒檢測裝置[J].微型機與應用，2017,36(9)：100-102，105.

2016-12-08)

馬少卿(1992-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：慣性傳感器信號處理，無線傳感網絡。E-mail:2318923688@qq.com。

孫榮霞(1960-)，女，本科，高級工程師，碩士研究生導師，主要研究方向：分析儀器、環(huán)境監(jiān)測、檢測技術及自動化裝置。

馬征(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術及自動化裝置。