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(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，商洛 726000)

0 引言

截至2017年底，我國(guó)60歲及以上老年人口有2.41億人，占總?cè)丝?7.3%，而且這個(gè)比例還將不斷攀升。目前我國(guó)養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀是低供給難以滿足高需求，據(jù)權(quán)威調(diào)查，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)床位難求，加上子女工作經(jīng)歷有限，使老年人安全問(wèn)題逐漸受到人們的關(guān)注。對(duì)滿足老年人需求的摔倒檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義，不僅有助于老年人生活品質(zhì)的提高，還有助于減輕社會(huì)和子女的壓力。

1 需求分析

目前的摔倒檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍較為受限，分為以視頻、聲學(xué)、加速度傳感器為基礎(chǔ)的三種摔倒檢測(cè)方法。其中通常只能在給定區(qū)域內(nèi)完成視頻摔倒檢測(cè)過(guò)程，實(shí)時(shí)性較差，使用范圍受限，隱私安全問(wèn)題難以受到保護(hù)；聲學(xué)摔倒檢測(cè)方法通常只能作為檢測(cè)的輔助技術(shù)，原因在于其缺乏精度；而應(yīng)用加速度傳感器技術(shù)的摔倒檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)人體活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且不受地點(diǎn)范圍的約束，適用性較強(qiáng)，是目前用來(lái)檢測(cè)老年人摔倒的普遍用法，由于健康理念的提升和富足的時(shí)間，老年人的日常行為活動(dòng)較多，某些部位會(huì)頻繁的變化，如大臂、手腕、膝關(guān)節(jié)、腳踝等，導(dǎo)致采集這些特征部位的數(shù)據(jù)雖容易但卻很難找到其中的規(guī)律，導(dǎo)致誤判率較高，降低了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。為克服這些困難，本文的特征部位選用前軀胸腔，提高數(shù)據(jù)的規(guī)律性[1]。

2 老年人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文通過(guò)分解人體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，作為檢測(cè)老年人摔倒行為的基礎(chǔ)，人體運(yùn)動(dòng)雖然不確定性和復(fù)雜性程度較高，但是不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有相應(yīng)的特點(diǎn)。細(xì)分人體摔倒過(guò)程為平衡狀態(tài)、失去平衡、沖擊障礙物、倒地后恢復(fù)平衡幾個(gè)部分，所呈現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息異于其它運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可作為識(shí)別摔倒的有效依據(jù)[2]。本文將人體狀態(tài)用坐標(biāo)定義，以胸腔部位作為特征部位建立Oxyz坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 三維右手直角系

為了不影響老年人的日?；顒?dòng)，檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)遵循小巧、輕便的原則，主要佩戴于老年人身上，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)不間斷的工作，完成對(duì)老年人活動(dòng)狀況長(zhǎng)周期檢測(cè)，方便老人的使用。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵要求就是低功耗。為了協(xié)調(diào)好完善的系統(tǒng)功能與低功耗的矛盾關(guān)系，選擇的器件既要滿足摔倒檢測(cè)整體功能有要在使用性能上具備低功耗特點(diǎn)。

2.2 摔倒檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)在于人體日常動(dòng)作與摔倒過(guò)程的加速度數(shù)據(jù)的獲取，然后通過(guò)數(shù)據(jù)的整合將最佳閾值點(diǎn)提取出來(lái)。通常人體處于失去平衡狀態(tài)時(shí)，向某一方向傾斜或傾倒，此時(shí)身體會(huì)偏離正常軌跡，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)發(fā)生摔倒的概率就會(huì)較大，人體活動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，是許多連續(xù)動(dòng)作相互作用的結(jié)果，本文將姿勢(shì)大體分為以下幾類(lèi)，具體如圖2所示。

圖2 人體摔倒姿勢(shì)

老年人日?；顒?dòng)主要有正常活動(dòng)狀態(tài)、加速行走、坐下及起立、下蹲及起立等過(guò)程。本文對(duì)下列9項(xiàng)動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行仿真，包括摔倒動(dòng)作(兩側(cè)摔倒；普通摔倒，動(dòng)作相對(duì)劇烈導(dǎo)致一般嚴(yán)重的后果；干擾摔倒，遇到障礙物，過(guò)程波折且動(dòng)作變緩，導(dǎo)致一般輕微的后果)與日?；顒?dòng)(下蹲及站起、坐下及站起、躺下及站起、上下樓梯、上下電梯、走路)[3]，采集各項(xiàng)動(dòng)作過(guò)程的加速度數(shù)據(jù)。這其中的其中下蹲及站起、坐下及站起、躺下及站起三項(xiàng)動(dòng)作，可導(dǎo)致三軸加速度的劇烈改變，在閾值判斷算法中是最強(qiáng)干擾項(xiàng)，因此增加這三組測(cè)試中的模擬次數(shù)，降低誤判的發(fā)生概率，具體可通過(guò)在測(cè)試中頻繁的嵌入相對(duì)劇烈的動(dòng)作，找到加速度變化差異的規(guī)律性；第走路與上下電梯兩項(xiàng)運(yùn)動(dòng)較為平緩，測(cè)試緩慢情況即可。調(diào)查資料可知運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)電梯的加速度值變化范圍在-0. 15-0.15 g內(nèi)；兩側(cè)摔倒后果通常也較為嚴(yán)重，與普通摔倒類(lèi)似，通過(guò)不斷重復(fù)模擬測(cè)試，增加測(cè)試次數(shù)，進(jìn)而可以在大量所得測(cè)試數(shù)據(jù)中找到變化規(guī)律；干擾跌倒過(guò)程雖不劇烈，但受干擾因素的影響，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率比較低。具體如表1所示。

表1 各項(xiàng)動(dòng)作模擬次數(shù)

關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量說(shuō)明:適當(dāng)減少權(quán)重較小動(dòng)作的仿真組數(shù)，增多權(quán)重較大動(dòng)作的仿真組數(shù)；各全程動(dòng)作模擬所得數(shù)據(jù)會(huì)因人體各動(dòng)作過(guò)程時(shí)間的不同而導(dǎo)致個(gè)數(shù)的不同。

2.3 模擬測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)分析具體數(shù)據(jù)，確定判斷摔倒的條件及閾值算法。處理完數(shù)據(jù)后，對(duì)加速度變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，列出各項(xiàng)結(jié)果如表2所示。

表2 加速度變化情況

綜合分析表中數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，得到合成加速度閾值點(diǎn)的上下限范圍為0.668-1.3 g，超過(guò)此范圍即可判定為摔倒情況發(fā)生。

3 老人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為方便老年人使用并能夠?qū)θ梭w特征參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用可穿戴式設(shè)備，便于攜帶。首要功能是采集和傳輸老年人活動(dòng)的加速度數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)首要功能，硬件設(shè)計(jì)由采集加速度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理核心、無(wú)線通信和實(shí)時(shí)短信通知四個(gè)主要模塊組成，系統(tǒng)具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

采集加速度數(shù)據(jù)由三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)接收并處理通過(guò)I2C 接口傳送的加速度數(shù)據(jù)，上位監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)無(wú)線模塊接收到處理結(jié)果后，使用閾值判斷算法判斷出閾值，若判斷結(jié)果為摔倒則立即發(fā)出警報(bào)，啟動(dòng)GPRS短信模塊將判斷結(jié)果以短信的方式發(fā)送給親屬或子女[4]。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1) 選擇與配置傳感器單元

依據(jù)人體正常行走與摔倒發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的加速度變化情況原理不同，本文三軸加速度傳感器選擇MMA8451Q，精度可選范圍為8-14位，使用I2C作為輸出口，量程覆蓋廣，包括-2—2 g、-4—4 g、-8—8 g，輸出數(shù)據(jù)速率范圍在1.6—800 Hz間，可檢測(cè)自由落體、振動(dòng)、傾角等，啟動(dòng)模式和休眠模式可以快速切換。

(2) 處理器核心單元

為滿足低功耗需求，本文摔倒檢測(cè)系統(tǒng)采用了MSP430系列的單片機(jī)(TI公司生產(chǎn))。其主要優(yōu)勢(shì)在于擁有豐富的外設(shè)接口，功耗低，應(yīng)用范圍廣，適用于某些電池供電的智能傳感器及手持設(shè)備等。

(3) 無(wú)線通信模塊

為保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，本系統(tǒng)使用無(wú)線通信芯片NRF24L01模塊，內(nèi)部集成Enhanced Short Burst協(xié)議，調(diào)制方式采用FSK，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)六或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，通信速度可達(dá)到2 Mbps。

(4) GPRS短信模塊

本系統(tǒng)通過(guò)GPRS無(wú)線模塊的植入，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)老人摔倒，一旦發(fā)現(xiàn)加速度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)將老人摔倒情況及位置以短信的形式發(fā)送到指定人員的手機(jī)上，便于采取下一步急救措施。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能如下：監(jiān)控各單元的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行分析和處理；完成X、Y、Z軸的加速度矢量的實(shí)時(shí)采集工作，傳輸數(shù)據(jù)至上位監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)時(shí)三軸加速度數(shù)據(jù)的繪制及存儲(chǔ)在上位界面實(shí)現(xiàn)；根據(jù)閾值點(diǎn)算法判斷是否發(fā)生摔倒；摔倒發(fā)生后，實(shí)時(shí)在人機(jī)界面顯示并短信報(bào)警。

在IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)下使用C語(yǔ)言編寫(xiě)下位軟件程序;在VS平臺(tái)下使用VC++編寫(xiě)上位軟件程序。軟件設(shè)計(jì)的工作流程圖如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

利用閾值點(diǎn)算法進(jìn)行有效性測(cè)試，在人體胸腔位置處固定本實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)置加速度傳感器 量程范圍-4—4 g，模擬動(dòng)作仍然是前文依據(jù)人體正常行為和摔倒行為劃分的9項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比，表明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確率較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)及算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。在不同環(huán)境下存在難以預(yù)測(cè)的干擾因素會(huì)影響到傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理，一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

5 總結(jié)

本文完成了基于3軸加速度傳感器的老年人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)及算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件及算法設(shè)計(jì)，通過(guò)使用本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的活動(dòng)情況，當(dāng)人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，通過(guò)摔倒檢測(cè)算法進(jìn)行判斷摔倒是否發(fā)生，一旦發(fā)生則實(shí)時(shí)通過(guò)上位機(jī)界面發(fā)出警告，通過(guò)GPRS模塊發(fā)送求救短信給指定人員，方便親屬采取救助措施。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)可有效檢測(cè)出摔倒情況的發(fā)生。

圖4 軟件工作流程圖

測(cè)量項(xiàng)目準(zhǔn)確次數(shù)/測(cè)量次數(shù)下蹲站起95/100坐下站起90/100上下樓梯80/100走路100/100上下電梯50/50兩側(cè)跌倒175/186普通跌倒175/200干擾跌倒190/200躺下站起173/200