張 磊，陳 鋒，楊文浩，李泓臻

（1.珠?？萍紝W院，廣東 珠海 519041；2.深圳市興奇宏科技有限公司，廣東 深圳 518100；3.深圳市合元科技有限公司，廣東 深圳 518128）

1 摔倒報警系統(tǒng)的設計

1.1 設計思路

該報警系統(tǒng)主要是通過識別人體四肢和軀干各部位的加速度和角速度，通過算法將加速度和角速度轉(zhuǎn)化為人體各部位的運動軌跡，從而簡易地判別人體姿態(tài)，去甄別是否摔倒、發(fā)出報警。其加速度與角速度的數(shù)據(jù)主要來源于MPU6050六軸傳感器。傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過算法進行一定的數(shù)據(jù)處理，分析出人體時間段內(nèi)姿態(tài)情況，如正常的行走、直立、靜坐。

人體姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集部位主要為雙手手腕、雙腳腳腕以及腰部，每一個部位都有一個NRF51822藍牙芯片作為主控，通過多對一的無線藍牙通信，將MPU6050采集到的數(shù)據(jù)集中到一個藍牙主機中。藍牙主機通過串口通信，把人體姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給STM32F103ZET6單片機。單片機驅(qū)動ATK-GM510模塊，使用TCP協(xié)議將姿態(tài)數(shù)據(jù)遠程傳輸至云服務器。云服務器作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，把姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到MATLAB上對數(shù)據(jù)進行運算處理，模擬繪制出人體的運動姿態(tài)，通過合加速度和人體姿態(tài)判斷是否摔倒，并向終端反饋信息。如果發(fā)生跌倒，就會向終端發(fā)送GPS定位信息及報警信號，終端和佩戴設備都會發(fā)出蜂鳴警報。并且云服務器與終端可以同時接收多組用戶的信息，更充分地利用資源，使整體設備可以進行一對多的監(jiān)控，便于在更多環(huán)境和場景下使用。該設備系統(tǒng)的整體設計框圖如圖1所示。

圖1 跌倒遠程報警系統(tǒng)設計框圖

1.2 系統(tǒng)模塊介紹與設計

1.2.1 六軸傳感器模塊

本設計中進行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊為MPU6050，選用原因為它是全球首例整合性六軸運動處理組件，其集成了加速度計和角速度計，可以大大減少穿戴設備的體積，且普及度高，價格相對便宜；角速度全格感測范圍可達±2 000°/s，可準確跟蹤快速和慢速動作；加速度全格感測范圍可達±16g，同時具備16 Bit數(shù)字輸出；使用IIC傳輸協(xié)議，適用于各種主控芯片，傳輸速率最高可達400 kHz；內(nèi)部繼承的DMP處理引擎可以將角速度轉(zhuǎn)換為歐拉角并直接讀取，為MCU減少了大量的數(shù)據(jù)處理；可以在后續(xù)增強整體設備的功能時，為MCU留出更多的空間，也可在版本穩(wěn)定之后選用數(shù)據(jù)處理功能較弱的MCU，降低設備成本。

1.2.2 藍牙模塊

藍牙部分選用的是NRF51822芯片。藍牙技術作為一種近距離、低功耗的無線傳輸協(xié)議，被廣泛運用到各個領域。該協(xié)議連接迅速，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。利用無線協(xié)議也可以使得設備整體更加簡潔、方便使用。NRF51822不僅內(nèi)部自帶藍牙模塊可以進行數(shù)據(jù)傳輸，還可以作為主控芯片驅(qū)動MPU6050進行人體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集工作，進一步減小了設備的整體體積，更加便于穿戴。NRF51822支持藍牙4.0協(xié)議，數(shù)據(jù)的傳輸速度也相對較快。

1.2.3 系統(tǒng)設計

上電初始化延時：身體各部位的MCU上電后經(jīng)過一定延時，再對NRF51822和MPU6050進行初始化，使佩戴者有足夠的時間調(diào)整自身姿態(tài)，與設備模擬的初始姿態(tài)一致，讓姿態(tài)模擬更加準確。

數(shù)據(jù)采集頻率高于發(fā)送頻率：在程序的實際開發(fā)中，因為藍牙廣播傳輸不夠穩(wěn)定，存在數(shù)據(jù)丟包等問題，使得數(shù)據(jù)失真或數(shù)據(jù)量不夠。所以在實際使用中，姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集頻率比發(fā)送頻率更高，發(fā)送給云服務器的數(shù)據(jù)是從采集到的數(shù)據(jù)中進行一定規(guī)律的篩選和調(diào)整的，從而保證了云服務獲取到的整體姿態(tài)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

周期性廣播：為了使廣播數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)2個任務互不影響，會利用NRF51822內(nèi)部的藍牙協(xié)議棧，令廣播進行定期休眠。在廣播休眠此期間進行姿態(tài)數(shù)據(jù)的讀取和處理，避免了2個任務同時訪問數(shù)據(jù)空間，發(fā)生沖突造成數(shù)據(jù)混亂。

幀同步信號：單片機會根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔和自定義的幀同步校驗位，判斷是否為同一組數(shù)據(jù)，通過自定義的字頭判斷為哪個部位的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)整理再發(fā)送至云端。當某一部位的數(shù)據(jù)沒有及時更新時（設備故障），藍牙會停止發(fā)送數(shù)據(jù)（全部復寫為0）。此時藍牙主機會發(fā)送信號至終端，提示用戶有設備出現(xiàn)故障，需要重啟或更換。

LED指示燈及按鍵：TCP連接成功，數(shù)據(jù)發(fā)送成功，藍牙多對一連接成功等都配備了相應的LED指示燈進行提示，方便用戶自己進行檢查與維護，且各部位設備皆有復位按鍵方便重啟。同時還有按鍵強制結(jié)束蜂鳴警示，以便在設備進行誤報警時進行手動解除，設備也會對失誤報警進行記錄，方便開發(fā)者對準確度進行校正修改。

1.2.4 主控系統(tǒng)軟件設計

主控系統(tǒng)軟件設計流程如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)軟件設計流程圖

整個主控設備以STM32作為主控芯片，先與云服務器通過TCP協(xié)議進行連接。當網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸通道連接成功并且穩(wěn)定后，使能藍牙的串口中斷。此時分為2個子任務：一個是主控控制4G模塊以5 Hz的頻率向云服務器發(fā)送人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，另一個任務是判斷4G模塊上報的信息（即云服務器反饋）是否為報警信號。若是，則蜂鳴器模擬報警、取消藍牙串口使能，停止姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取，同時驅(qū)動4G模塊獲取當前GPS的定位信息，通過云服務器將定位信息發(fā)送給綁定設備的終端。

1.2.5 手環(huán)軟件設計

手環(huán)部分主要以藍牙芯片NRF51822為核心。對其時鐘、IIC協(xié)議初始化完成后，驅(qū)動其對MPU6050進行初始化[1]。然后以12.5 Hz的頻率從MPU6050中提取數(shù)據(jù)，而廣播以10 Hz的頻率，向藍牙主機發(fā)送姿態(tài)數(shù)據(jù)。因為考慮到廣播數(shù)據(jù)丟包和廣播與發(fā)送數(shù)據(jù)沖突等問題，可能會造成從機發(fā)出的數(shù)據(jù)量無法達到需求，所以令藍牙提取姿態(tài)數(shù)據(jù)的頻率比廣播頻率更高一些，這樣就可以讓每個藍牙從機發(fā)送至主機的數(shù)據(jù)量得到保證。同時廣播設定了一定的休眠期，藍牙主機利用休眠的空隙來進行數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。這樣就可以避免提取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)2個任務同時訪問數(shù)據(jù)空間，產(chǎn)生沖突而導致數(shù)據(jù)發(fā)送不全或數(shù)據(jù)丟失的問題。

1.2.6 云服務器上基于JAVA的TCP客戶端

云服務器上會利用JAVA先建立一個Socket Server（TCP服務器）實時監(jiān)聽是否有新客戶端連接，然后建立一個客戶端集合對象。每當有一個新的客戶端連接至服務器，JAVA都會新增一個線程，實現(xiàn)多臺客戶端連接服務器。每當有一臺客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務器都換轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端。每個客戶端都會對獲取到的數(shù)據(jù)IP和ID進行識別，以此來甄別是否為互相綁定的設備客戶端，達到定向接收的效果。

2 判斷跌倒和人體姿態(tài)的原理

本系統(tǒng)判斷摔倒的判據(jù)分為2部分，第一部分是通過合加速度的大小，判斷是否有過大的瞬時加速度，從而判斷人是否摔倒[2]。為了使判斷更加準確，加入了第二部分——人體姿態(tài)檢測。通過檢測人體當前的姿態(tài)，進行輔助判斷。

2.1 合加速度

因為MPU6050存在著誤差，且各地的重力加速度有些許差異。在設備使用前會先上電檢測，對傳感器的值進行補償，使傳感器下一次上電后的值更加精確。各方向上的加速度和合加速度公式如下。

各方向加速度公式為：

合加速度[3]公式為：

其中，a原為傳感器的原始數(shù)據(jù)，g為重力加速度。通過靜止狀態(tài)時，傳感器測得的原始數(shù)據(jù)計算出該傳感器在當?shù)氐闹亓铀俣萭，后續(xù)的加速度計算所用到的重力加速度都基于此值。

補償值得到后即可進行上電使用。MATLAB通過數(shù)據(jù)計算合加速度，若合加速度大于設定的閾值，再通過演示的姿態(tài)輔助判斷。

2.2 人體姿態(tài)檢測

本系統(tǒng)所使用的傳感器為MPU6050，通過該傳感器可以讀出加速度和角速度的原始數(shù)據(jù)，利用自帶的數(shù)字運動處理器（Digital Motion Processor）硬件加速引擎，可以將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四元組數(shù)據(jù)，通過IIC接口與主控進行數(shù)據(jù)傳輸，在主控進而完成歐拉角的計算。其中，DMP輸出的四元數(shù)是q30格式（浮點數(shù)擴大230倍）。想要換算成歐拉角，必須先將其轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，也就是除以230，然后再進行計算。

將q30格式轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)：

計算出四元數(shù)后，可以通過四元數(shù)計算出歐拉角：

在MATLAB程序中，建立三維坐標系，通過歐拉角可以得知，每個傳感器在x、y、z三軸的轉(zhuǎn)向和所轉(zhuǎn)的角度，便可得知傳感器的坐標軸與MATLAB所建立的三維坐標軸之間的實時對應關系。再利用三軸加速度數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，積分處理，得到各傳感器的運動軌跡（即人體四肢與腰部的運動軌跡）。進而演示出人體四肢的簡單運動，模擬出人體的姿態(tài)[4]。

穿戴設備上電時會有一定的延時，再進行初始化，使使用者在時間內(nèi)以固定的姿勢靜止，保證人體的姿態(tài)與MATLAB開始計算的初始姿態(tài)一致，便可進行姿態(tài)的實時演示。當檢測出合加速度大于閾值時，若演示出的姿態(tài)其腰部高度大于閾值，且其余四肢亦正?；顒樱瑒t不判斷為摔倒，故不發(fā)出警報；若演示出的姿態(tài)其腰部低于閾值，四肢活動異常，則發(fā)出警報。

目前姿態(tài)的模擬準確度還不是很高，其主要原因有2個：一是MPU6050模塊自身具有一定的誤差，得到的歐拉角也存在零漂；二是目前對姿態(tài)采集的頻率還不夠高。當加速度突然變化時，捕捉到的加速度的值不夠準確。使得演示的人體姿態(tài)不夠精準。進行進一步研究時，計劃通過一些濾波算法，以及提高數(shù)據(jù)的采集頻率，令人體姿態(tài)模擬更加的完善。

2.3 系統(tǒng)模塊介紹與設計

2.3.1 MATLAB演示部分軟件流程圖

系統(tǒng)基于MATLAB R2019b進行設計。接收程序通過TCP/IP協(xié)議與云服務器進行通信，接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過排序處理后輸出形成文件并保存，然后監(jiān)測報警信息。演示程序開始后循環(huán)檢測文件中的數(shù)據(jù)是否更新，若無則繼續(xù)檢測，有則進行數(shù)據(jù)解算，解算出來的數(shù)據(jù)改變圖像中人四肢的三維坐標位置實現(xiàn)姿態(tài)演示。并通過數(shù)據(jù)中腰部傳感器測出的3個方向加速度及角度來綜合判斷用戶的異常情況，若有異常情況改變報警數(shù)據(jù)，接收程序監(jiān)測到報警信息后將向云服務器發(fā)送報警信息[5]。

2.3.2 監(jiān)測報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)主要是為了讓手環(huán)佩戴者的親屬知道姿態(tài)異常情況。如佩戴者是老人或者小孩，可以第一時間知道摔倒等情況，采取應急措施。通過建立穩(wěn)定的TCP連接，只要姿態(tài)解算出現(xiàn)異常，立刻就會通過服務器向親屬的報警系統(tǒng)發(fā)出信號，通知佩戴者的情況。

3 總結(jié)

本設計雖然也是基于MPU6050六軸姿態(tài)傳感器，但時相比于其他摔倒檢測裝置，在設備體積上更加輕便小巧，便于穿戴。且利用ATK-GM510模塊后，無論是室內(nèi)還是室外，只要有網(wǎng)絡信號都可進行遠距離數(shù)據(jù)傳遞。該設備大部分的數(shù)據(jù)處理即運算都在云服務器上完成，不需要實際的硬件設備，使得設備維護和使用的更加的方便。且藍牙芯片NRF51822還有多個可驅(qū)動的空閑IO口，可以在該設備的基礎上集成更多的外設，實現(xiàn)更多的功能，具有更多的提升空間。本文討論的跌倒遠程報警系統(tǒng)除了合加速度的判斷之外，還加入了人體姿態(tài)模擬來進行輔助判斷，不僅提高了準確率，并且人體姿態(tài)模擬還可以進行更多的應用，具有一定的創(chuàng)新性、綜合性以及一定的市場價值。