徐攀峰，盧 媛，王麗敏

(遼寧大學 物理學院，遼寧 沈陽 110036)

0 引言

跌倒是指人體的不正常的體位改變，摔倒在地面或低于地面的地方，該過程的發(fā)生是突然的、不自主、非故意的[1].針對跌倒位置的不同，國際上將跌倒大致分為兩類，其一是從一個平面倒至另一個平面，其二是發(fā)生在同一平面上[2].跌倒是中國第四大傷害致死原因，并且已經成為我國65歲及以上老年人致死的首要因素[3]，對老年人的身心健康造成了極大的影響，加重了家庭和社會的負擔，現(xiàn)已成為一個非常有價值研究的課題.

目前對于人體跌倒檢測的研究在國內多數(shù)處在被動的醫(yī)療護理階段，沒有全面普及，而在國外，例如德英等國家，在政府的關注和重視下，其研究水平和成果相較于國內具有明顯的優(yōu)勢.跌倒問題的研究起始于人們有意識地、主動地手動報警.隨著經濟和科技發(fā)展，人們也更加深入地研究跌倒問題，并提出了更多應對方案.目前處于研究領域前沿的主要有三種處理方案分別是視頻式跌倒檢測系統(tǒng)、室內傳感器跌倒檢測系統(tǒng)和穿戴式跌倒檢測系統(tǒng)[4-5].視頻式跌倒檢測系統(tǒng)檢測準確率高，對被檢測者來說，沒有佩戴設備的壓力，但是，只適用于室內，室外與其他公共場合不適用，并且受光線影響，同時還涉及到被測試者的隱私；室內傳感器跌倒檢測系統(tǒng)一般是在平時活動的區(qū)域范圍內，嵌入紅外傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器等無線傳感器，該系統(tǒng)非常容易受到外界其他聲波信號干擾，對活動范圍限制很大，而且實施困難；穿戴式跌倒檢測系統(tǒng)一般來說是將檢測單元嵌入到衣服、鞋子、配飾等處，該系統(tǒng)不受地點控制，隨身攜帶，采集數(shù)據(jù)精確，使實用性大大提高，但是設備容易被人為損壞，導致采集數(shù)據(jù)的不準確.

1 跌倒狀態(tài)分析

跌倒是指人體的不正當?shù)捏w位改變，從根本上說，跌倒都是身體一瞬間的不平衡，而導致突然的身體的傾倒，發(fā)生跌倒時，跌倒的時間非常短暫.根據(jù)跌倒前的狀態(tài)將跌倒分為原地跌倒和行進中跌倒.同時，又根據(jù)行進中跌倒方向的不同分為向前、向后、向左、向右的4個方向的跌倒[6].根據(jù)人體突然失去平衡和重心移動的運動狀態(tài)，測量雙足的前腳掌和腳跟的壓力，并通過其壓力值的改變來判斷是否發(fā)生跌倒行為.

1)測試正常行走時，一段時間內的足底壓力值的壓力曲線如圖1所示.正常行走時，雙足壓力值的波動明顯且有規(guī)律，通過過零檢測就可判斷出非跌倒狀態(tài)[7].

2)測試行進中發(fā)生向前跌倒、向后跌倒、左側跌倒和原地跌坐情況下的雙足壓力變化情況，如圖2所示為向前跌倒時的雙足壓力變換曲線.向前跌倒時，先離地的是腳后跟，腳后跟的壓力值要明顯小于前腳掌的壓力值，而且變化突然，通過方差閾值可以判斷是否處于跌倒狀態(tài).

將4個薄膜壓力傳感器分別粘在左右腳的前腳掌和腳后跟處見圖3，從而根據(jù)雙足的前腳掌和后腳跟壓力的變化，通過分析來識別跌倒狀態(tài).

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)的整體結構可分為兩部分：佩戴裝置和PC端，如圖4所示.佩戴裝置主要由以下幾部分組成，包括主控STM32單片機、柔性薄膜壓力傳感器、Wi-Fi模塊、GPS定位模塊以及輔助的電路部分等，該佩戴部分可以實現(xiàn)對人體行進時的雙足壓力信號的實時檢測，當發(fā)生跌倒時，會立即通過Wi-Fi模塊將GPS采集的位置信息發(fā)送至上位機.PC端主要是利用LabVIEW處理壓力信號，并判斷跌倒狀態(tài)，同時通過程序調取當時的位置信息，在百度地圖上顯示地理位置并發(fā)出報警.

2.2 硬件設計

本設計以STM32作為主控制器，利用壓力傳感器模塊實時采集雙足壓力信號，同時獲取GPS模塊的位置信息，通Wi-Fi模塊無線傳輸?shù)缴衔粰C服務器，如圖5所示.

本設計中采用IMS-C20B短尾公端子薄膜壓力傳感器進行足底壓力測量，其具有較好的重復性，同時滯后小、線性好，能夠大大提高壓力測量的范圍，一般用于檢測傳感平面在垂直方向上的力，將4個傳感器分別置于左右腳前腳掌和腳后跟處，可以反映出在運動行進的過程中足底所受到的壓力情況.無線通信部分采用了ESP8266無線Wi-Fi模塊，其主要有三種功能，分別是串口透傳、PWM調控、GPIO控制.在本設計中，ESP8266僅負責將采集到的足底壓力信號和GPS信息一并傳輸?shù)缴衔粰C，而對數(shù)據(jù)不做處理，發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)內容和長度一致，傳輸過程透明，這也是該Wi-Fi模塊的卓越特性之一.ESP8266模塊支持三種工作模式，主要是STA模式、AP模式和STA+AP模式.根據(jù)上述的模塊優(yōu)點以及本設計的需要，采用了STA+AP接入點共存模式，當模塊用作AP時，同時也可以作為STA模式存在.

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)上位機程序設計

3.1.1 程序流程和界面設計

本文的上位機主要采用主流的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW完成相應的程序設計.針對壓力信號進行分析，主要功能包括信號的無線通訊，對采集到的足底壓力信號進行解析和識別，同時對跌倒狀態(tài)的算法識別，以及對跌倒狀態(tài)的報警和GPS位置信息的顯示.程序流程圖如圖6所示.圖7是由LabVIEW處理由行走至跌倒的信息并顯示波形，同時通過方差閾值和均值閾值進行識別跌倒狀態(tài)，然后發(fā)出報警信息的示意圖.

圖6 上位機程序流程框圖圖7 跌倒報警顯示

3.1.2 跌倒檢測

過零檢測主要是根據(jù)足底壓力的信號，需要選取一段待處理的信號段，采取過零點數(shù)(ZC)進行判斷.此外，在人體跌倒時，足底壓力的平均值(M)明顯減少，方差(S2)突變，所以還需要進一步計算平均值(M)和方差(S2).這三個參數(shù)的定義如下：

(1)

(2)

(3)

N表示選取數(shù)據(jù)點數(shù)；xi表示某個數(shù)據(jù)點；ZC表示通過零點的次數(shù)；M是平均數(shù)；S2表示方差.

跌倒檢測的主要流程是首先通過過零檢測判斷運動狀態(tài)，再通過方差和閾值來進一步判斷是否發(fā)生了跌倒.整體跌倒算法識別的流程圖如圖8所示.從信號發(fā)生躍變后提取動作時間為4 s的數(shù)據(jù)值，本實驗取壓力值為0.7處作為零點，首先判斷ZC是否屬于正常范圍(針對提取的壓力信號過零點數(shù)的特征，當ZC≥4時，直接判定為非跌倒)，若超過正常范圍(即ZC<4)，進一步判斷M和S2是否超過設定的閾值，若判斷確實是跌倒狀態(tài)，則進行報警，并且將跌倒人的位置發(fā)送至上位機顯示.針對閾值的選取，要按照人體正常行走時的壓力數(shù)據(jù)作為參考，平均值閾值(P)和方差閾值(T)的計算如下：

P=b×xmax，0

(4)

(5)

a，b是調節(jié)系數(shù)取值0.5；xmax是最大數(shù)據(jù)點.

3.2 主控制器程序設計

本文的主控制器采用STM32單片機，主要功能包括完成對采集到的足底壓力信號進行A/D轉換，通過串口通信完成對GPS信號的接收，以及將采集到的足底壓力信號和GPS信號通過Wi-Fi模塊進行無線傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上，供上位機服務器處理.主控制器的流程圖如9所示.

4 結語

本設計構建了一種基于足底壓力的跌倒檢測定位系統(tǒng)，并將整個系統(tǒng)劃分為傳感器模塊、GPS模塊、Wi-Fi模塊，并結合LABVIEW圖形編程，逐步實現(xiàn)了跌倒檢測、位置顯示以及報警等功能，使得老年人可以得到及時的救助.本設計輕巧方便，便于攜帶，只是目前對于數(shù)據(jù)的處理，還是在上位機上面進行，未來擬開發(fā)手機APP，使得跌倒檢測系統(tǒng)的應用更加廣泛和便利.

該項目也是基于真實問題提煉的教學拓展項目，是通過本科生與研究生結對互助，組建興趣小組完成的，該項目也是專業(yè)教學改革研究的過程中很好的教學實踐.