劉 勃，王明偉，常立博

(1.西安郵電大學(xué)研究生院，陜西 西安 710121; 2.陜西科技大學(xué)電子信息與人工智能學(xué)院，陜西 西安 710021;3.西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

0 引 言

國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截止2018年年底，我國65周歲及以上老年人口達(dá)到1.67億，約占全社會總?cè)丝诘?1.9%[1]。跌倒是我國65周歲及以上老年人傷亡的首要因素，每年65周歲及以上老年人跌倒發(fā)生的概率大概是30%，而且隨著年齡的增長跌倒發(fā)生的比例迅速增加，每年80周歲及以上老年人跌倒發(fā)生的概率高達(dá)50%[2-3]。跌倒也是全球意外傷亡的第二大因素，全世界每年發(fā)生嚴(yán)重致命性跌倒已經(jīng)超過42萬例[4]。

目前主要有3種跌倒檢測方法。1)基于圖像處理方法的跌倒檢測技術(shù)。通過固定地點(diǎn)安裝的視頻攝像頭獲取被監(jiān)測人的運(yùn)動狀態(tài)，采用圖像處理的相關(guān)算法分析判斷被監(jiān)測人是否跌倒。該方法精度高，但監(jiān)測范圍有限、成本相對較高、計(jì)算過于復(fù)雜，不宜全面推廣使用[5-7]。2)基于音頻信號處理方法的跌倒檢測技術(shù)。通過采集、處理人體運(yùn)動的音頻信號分析判斷被監(jiān)測人是否跌倒。該方法誤報(bào)率高，易受外界噪音信號的干擾，目前已經(jīng)很少使用[8-9]。3)基于各類傳感器的跌倒檢測技術(shù)[10]，其中采用可穿戴式傳感器的監(jiān)測裝置是一種比較實(shí)用的便攜式跌倒檢測設(shè)備，如采用紅外線傳感器[11]、壓力傳感器[12]、加速度傳感器[13-17]等。常用的跌倒檢測算法有加速度信號向量幅度法[7-9]、支持向量機(jī)[17-19]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20-22]、K近鄰[23-24]、決策樹[25-26]等。嵌入了微型傳感器的便攜式裝置，能夠戴在老人的頸部、胸前、腰間、手腕、腳踝、鞋底等部位。這種設(shè)計(jì)分為單一傳感器監(jiān)測和多種傳感器聯(lián)合監(jiān)測2類：采用單一傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是功耗較小、成本較低；采用多種傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)通過多種傳感器采集信息，運(yùn)用多種算法綜合分析判斷跌倒?fàn)顟B(tài)是否發(fā)生，具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是能耗大、成本高。綜合來看，基于可穿戴傳感器的便攜式監(jiān)測系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文研究的目的是如何快速、準(zhǔn)確地檢測老年人偶然跌倒并及時發(fā)送求救信號。采取可穿戴式單一傳感器的人體運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測思路，設(shè)計(jì)一種基于三軸加速度傳感器的老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)，并通過嵌入式處理器處理數(shù)據(jù)，提高跌倒?fàn)顟B(tài)監(jiān)測準(zhǔn)確度，數(shù)據(jù)通過4G和5G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測和報(bào)警等功能。

1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件和軟件2個部分。硬件由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信號輸出與接收3塊組成。軟件分為相互獨(dú)立的模塊，每個模塊實(shí)現(xiàn)自己的特定功能，模塊間密切分工協(xié)作，通過嵌入式處理器主程序調(diào)用協(xié)調(diào)一致[27]。

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由本地?cái)?shù)據(jù)采集和傳輸端(包括加速度傳感器、基于GPS和北斗導(dǎo)航的定位模塊)、嵌入式主控模塊和基于4G或5G移動網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)傳輸與接收3個部分構(gòu)成。遠(yuǎn)程監(jiān)控端可以是PC機(jī)或手機(jī)APP。三軸加速度傳感器用來檢測老年人運(yùn)動姿態(tài)，嵌入式主控模塊采用識別算法處理數(shù)據(jù)，通過4G或5G移動網(wǎng)發(fā)送位置和報(bào)警信息給遠(yuǎn)端設(shè)備，包括PC機(jī)和手機(jī)APP，用于老年人運(yùn)動姿態(tài)的持續(xù)監(jiān)測。當(dāng)老年人跌倒和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，嵌入式主控模塊讀取定位芯片中的位置數(shù)據(jù)，形成報(bào)警數(shù)據(jù)包，采用最高優(yōu)先級發(fā)送給遠(yuǎn)端PC機(jī)或手機(jī)APP進(jìn)行報(bào)警處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了精確測量運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用亞德諾(ADI)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的三軸加速度傳感器ADXL345感應(yīng)立體空間XYZ軸3個方向，即前后左右上下軸向上的加速度。三軸加速度傳感器ADXL345成本較低、靈敏度高，可以測量低重力水平上的移動、傾斜、墜落、搖擺等狀態(tài)，使便攜式系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測人體運(yùn)動姿態(tài)變化。

為了實(shí)現(xiàn)精確定位，系統(tǒng)采用GPS/北斗聯(lián)合定位模塊Air800。Air800是上海合宙通信科技有限公司推出的一款支持GPRS+北斗+GPS的三合一模塊。其開發(fā)方式為Luat, Luat=Lua+AT, Luat是合宙(AirM2M)推出的物聯(lián)網(wǎng)開源架構(gòu)，依托通信模塊做簡易快捷的開發(fā)，將傳統(tǒng)的AT命令用Lua封裝成API，并提供各種功能應(yīng)用的demo，大大降低了用戶的開發(fā)成本。

為了兼容4G和5G移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)警，系統(tǒng)采用WH-LTE-7S4 V2無線傳輸模塊，將Air800獲取的GPS坐標(biāo)信息發(fā)送到遠(yuǎn)端手機(jī)和PC平臺。WH-LTE-7S4 V2是一款插針式4G模塊，實(shí)現(xiàn)UART轉(zhuǎn)4G或5G雙向透傳功能；支持5模13頻；高速率、低時延；支持2個網(wǎng)絡(luò)鏈接同時在線，支持TCP、UDP；支持注冊包/心跳包機(jī)制；支持網(wǎng)絡(luò)透傳、HTTPD、UDC工作模式；支持基本指令集；支持FOTA差分升級；支持看門狗防護(hù)，穩(wěn)定運(yùn)行；兼容7S3、7S4引腳。

主控模塊采用STM32嵌入式處理器，其具有的STM32F407ZGT6內(nèi)核帶有FPU的ARM 32位Cortex-M4CPU和在Flash存儲器中實(shí)現(xiàn)零等待狀態(tài)運(yùn)行性能的自適應(yīng)實(shí)時加速器(ART加速器TM)，主頻高達(dá)168 MHz, MPU能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)210 DMIPS/1.25 DMIPS/MHz(Dhrystone 2.1)的性能，具有DSP指令集。存儲器高達(dá)1 MB Flash，高達(dá)192+4 kB的SRAM，包括64 kB的CCM(內(nèi)核耦合存儲器)數(shù)據(jù)RAM具有高達(dá)32位數(shù)據(jù)總線的靈活外部存儲控制器：SRAM、PSRAM、NOR/NAND。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)軟件的開發(fā)遵循自頂向下設(shè)計(jì)、自底向上開發(fā)的原則，全部采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、跌倒檢測模塊、手動報(bào)警模塊以及無線傳輸模塊等部分。監(jiān)測系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

2 跌倒檢測算法

人體跌倒過程大致可以分為3個階段。先是身體重心瞬間失去平衡，緊接著身體重重撞擊地面，最后要么臥地不動或輕微翻動，要么自行起立或在路人幫助下起立。通過分析研究人體運(yùn)動狀態(tài)下加速度的實(shí)測數(shù)據(jù)，在跌倒后未能起立這個過程中，人體運(yùn)動加速度經(jīng)歷了較大的變化，先是迅速變小，緊跟著突然變大，最后保持固定值基本不變。所以通過分析人體運(yùn)動加速度的變化，可以判斷被監(jiān)測人是否跌倒。

三軸加速度傳感器采集到的人體運(yùn)動狀態(tài)加速度數(shù)據(jù)由2部分合成，一部分是人體自身運(yùn)動產(chǎn)生的加速度，另一部分是地球引力產(chǎn)生的重力加速度，并且這2部分自始至終同時存在。人體跌倒方向大致分為向前方跌倒、向后方跌倒和向側(cè)方跌倒。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，加速度傳感器布置在人體腰部最方便，也最合適。依據(jù)人體運(yùn)動狀態(tài)下加速度的特點(diǎn)，結(jié)合三軸加速度傳感器的安放位置，建立人體運(yùn)動空間三維坐標(biāo)系，以人體腰部為原點(diǎn)，人體前進(jìn)方向?yàn)閄軸，人體左側(cè)方向?yàn)閅軸，豎直向上為Z軸，任意時刻三軸加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)都能夠由XYZ方向這3個正交的向量基來表示。

在監(jiān)測系統(tǒng)對人體運(yùn)動狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測的過程中，當(dāng)檢測到人體運(yùn)動加速度在Z軸方向上的分量az持續(xù)小于閾值，即az

(1)

其中ax、ay、az分別表示實(shí)際測量的人體運(yùn)動加速度在X、Y、Z這3個相互垂直的坐標(biāo)軸上的分量，S表示人體運(yùn)動加速度的幅值。為了減少其它外在因素可能對三軸加速度傳感器采集數(shù)據(jù)的干擾，降低其可能引起的誤判，在一定時間窗T內(nèi)對三軸加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行10點(diǎn)滑動平均，然后再計(jì)算加速度幅值。當(dāng)被監(jiān)測人跌倒時，S大于閾值，即S>STHV。跌倒后如果被監(jiān)測人沒有起立，則被監(jiān)測人要么是沒有知覺或意識躺在地面基本不動，要么是不能控制自身行為僅能夠在原地進(jìn)行輕微活動。為了盡可能地降低誤判操作，提高監(jiān)測系統(tǒng)的正確率，引入標(biāo)準(zhǔn)方差，它反映了人體運(yùn)動加速度信號的波動程度，其定義式如下：

(2)

(3)

圖3 跌倒檢測算法流程圖

人體跌倒檢測判定算法流程如圖3所示，嵌入式處理器實(shí)時處理加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到azSTHV時，說明被監(jiān)測人正在進(jìn)行劇烈運(yùn)動，這種運(yùn)動狀態(tài)很可能是被監(jiān)測人已經(jīng)跌倒。延遲2 s，當(dāng)加速度標(biāo)準(zhǔn)方差大于閾值時，即D>DTHV，說明被監(jiān)測人可能正在進(jìn)行劇烈運(yùn)動，也可能被監(jiān)測人跌倒后能夠控制自身的行動，自己起立或在其他人幫助下起立，情況不嚴(yán)重，無需進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)加速度標(biāo)準(zhǔn)方差小于閾值時，即D

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)θ梭w日常行為活動進(jìn)行精確監(jiān)護(hù)，當(dāng)被監(jiān)測人處于正常運(yùn)動狀態(tài)時，監(jiān)測系統(tǒng)不報(bào)警；當(dāng)被監(jiān)測人處于跌倒?fàn)顟B(tài)時，監(jiān)測系統(tǒng)迅速發(fā)出求助報(bào)警信號?？紤]到老年人身體安全狀況，在做好防護(hù)措施的前提下邀請5男5女10位學(xué)生模擬老人運(yùn)動狀態(tài)，分別做了以下3種實(shí)驗(yàn)：1)正常運(yùn)動，包括快速跑步、正常行走、正常坐下等3種運(yùn)動狀態(tài)；2)正常運(yùn)動時突然跌倒可以起立；3)正常運(yùn)動時突然跌倒未能起立。10人同時模擬同一動作，分別對上述幾種情況各做了100次實(shí)驗(yàn)。圖4是人體正常運(yùn)動沒有跌倒時的數(shù)據(jù)，包括快速跑步、正常行走和正常坐下。圖5是人體跌倒未能起立時的數(shù)據(jù)，分別為向前跌倒和向后跌倒。

圖4 正常運(yùn)動時的加速度

圖5 人體跌倒時的加速度

依據(jù)模擬老年人運(yùn)動過程中所采集的數(shù)據(jù)，選取合適的閾值。設(shè)置Z軸加速度分量az的閾值azTHV=0.6g，當(dāng)azSTHV時，判定跌倒?fàn)顟B(tài)可能發(fā)生；設(shè)置加速度幅值標(biāo)準(zhǔn)方差D的閾值為DTHV=0.3，當(dāng)D>DTHV時，說明被監(jiān)測人正在進(jìn)行劇烈運(yùn)動，或者被監(jiān)測人雖然跌倒但已經(jīng)起立，當(dāng)D

表1 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

人體運(yùn)動姿態(tài)實(shí)驗(yàn)次數(shù)判定為跌倒次數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確率/%快跑、行走、坐下1000100跌倒可以起立100397跌倒未能起立100100100

4 結(jié)束語

本文通過采集測量人體運(yùn)動狀態(tài)加速度數(shù)據(jù)監(jiān)測人體運(yùn)動姿態(tài)變化。依據(jù)人體跌倒過程3個階段加速度變化的特點(diǎn)，采用Z軸加速度分量az、三軸合加速度幅值S和加速度幅值標(biāo)準(zhǔn)差D的閾值來判定區(qū)分日?；顒雍偷?fàn)顟B(tài)，提出了運(yùn)用加速度幅值標(biāo)準(zhǔn)差D最終判定是否需要發(fā)送跌倒報(bào)警信號的檢測方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該監(jiān)測系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、正確率高和輕巧方便等特點(diǎn)，作為便攜式智能產(chǎn)品，非常適合老年人穿戴使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。