基于MPU6050的老人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于MPU6050的老人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：如何減少老年人摔倒造成的傷害已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究人員的一個(gè)研究焦點(diǎn)。MPU6050傳感器集成的三軸加速度和角速度傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)行為和姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，綜合判斷老人是否摔倒。系統(tǒng)利用GSM模塊通信，同時(shí)利用GPS模塊進(jìn)行定位。采用了閾值判定摔倒檢測(cè)算法，提高了判斷的準(zhǔn)確性，并能夠識(shí)別老人從不同的角度摔倒。關(guān)鍵詞：摔倒檢測(cè)，閥值算法，MPU6050，GPS，GSM中圖分類號(hào)：TN60934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 0 引言目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于摔倒識(shí)別的研究層出不窮，甚至有的研究成果已經(jīng)作為產(chǎn)品面世。根據(jù)獲取摔倒信息手段的不同，目前的摔倒識(shí)別技

2、術(shù)主要分為：用戶自主啟動(dòng)型報(bào)警系統(tǒng)、基于視頻裝置的摔倒探測(cè)系統(tǒng)、基于MEMS傳感器的摔倒姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)等12。用戶自主型報(bào)警系統(tǒng)具有一些難以避免的缺點(diǎn)：用戶在摔倒之后必須沒有失去意識(shí)，有一定的活動(dòng)能力。另外，目前基于視頻裝置的摔倒探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于用戶的隱私權(quán)還不能完全保證，而且存在一些視頻的死角等問題?；贛EMS傳感器的摔倒探測(cè)系統(tǒng)是指嵌入了微型傳感器的設(shè)備，這種檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的活動(dòng)，通過算法判斷是否發(fā)生了摔倒。這種判斷方式可以應(yīng)用于摔倒之后暈倒的情況，對(duì)患有老年精神疾病的對(duì)象也可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)；另外對(duì)用戶的隱私實(shí)現(xiàn)了最大程度的保護(hù)，應(yīng)用的范圍限制也比較小，是一種比較理想的摔倒檢測(cè)系統(tǒng)。MP

3、U6050 的角速度感測(cè)范圍最高可以達(dá)到2000/s，能夠準(zhǔn)確地追蹤動(dòng)作; 加速度感測(cè)范圍最高可以達(dá)到16g，完全能滿足對(duì)人體摔倒動(dòng)作的檢測(cè)要求。本文運(yùn)用一種新型的MEMS傳感器MPU6050，能同時(shí)對(duì)三軸加速度及三軸角速度進(jìn)行檢測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)定了加速度與角速度閾值，通過閾值與人體姿態(tài)數(shù)據(jù)的組合分析能較準(zhǔn)確的對(duì)人體摔倒進(jìn)行檢測(cè)判斷3。1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理本文是基于MPU6050傳感器設(shè)計(jì)的可老人摔倒檢測(cè)系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。主要包括五個(gè)部分：微控制器、MPU6050姿態(tài)檢測(cè)模塊、GPS定位模塊、GSM/GPRS通訊模塊、4*4矩陣鍵盤模塊。其中鍵盤模塊是為了方便用戶修目標(biāo)電話號(hào)碼。該模塊采用可

4、拆卸設(shè)計(jì)，為減小產(chǎn)品體積，用戶在實(shí)際使用過程中可將鍵盤拆下，只有當(dāng)修改號(hào)碼時(shí)才需要該模塊。MSP430控制系統(tǒng)GPSMPU6050GSM供電電源4*4鍵盤圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖本文微控制器選擇的是低功耗單片機(jī)MSP430F149，不僅滿足本系統(tǒng)的所有要求而且可以降低產(chǎn)品的成本。MPU6050姿態(tài)檢測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的加速度和角加速度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)組SP430F149單片機(jī)進(jìn)行分析，從而判斷用戶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。GPS定位模塊采用的型號(hào)是ProGin SR-87。該系列GPS模塊采用高靈敏度，高性能的SiRFStar芯片組緊湊設(shè)計(jì)方案。該模塊在同一時(shí)間能跟蹤多達(dá)20顆衛(wèi)星，同時(shí)提供快速的時(shí)間首次定位

5、和1Hz的導(dǎo)航更新，將接收到的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到單片機(jī)，利用GPS解析程序提取其中的經(jīng)度與緯度坐標(biāo)。GSM/GPRS通訊模塊采用的是華為生產(chǎn)的GTM900-B通訊模塊，該模塊集成了可靠的外圍電路以及擴(kuò)展了端口。GTM900 的主要功能有：語音通話、短信收發(fā)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、彩信收發(fā)，使用串口通訊的方式和外部連接。該模塊利用AT指令來發(fā)送求助短信。當(dāng)摔倒事件發(fā)生時(shí)，單片機(jī)控制該模塊向目標(biāo)手機(jī)發(fā)出警報(bào)以及摔倒的位置。2 姿態(tài)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)姿態(tài)檢測(cè)模塊采用的是MPU6050傳感器，是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器

6、DMP（Digital Motion Processor），可用IIC接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過其IIC或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為250，500，1000，2000/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為2，4，8，16g。陀螺儀MPU6050是采用IIC的協(xié)議通信的，通過寄存器地址進(jìn)行訪問。MPU6050電路圖如圖2所示，5V/3.3V電源輸入，XDA/XCL用于外接其他IIC接口傳

7、感器，不用。SDA，SCL連接到單片機(jī)，INT產(chǎn)生中斷信號(hào)，連接至單片機(jī)。AD0一般接地。注意使用IO口模擬IIC信號(hào)時(shí)候，要注意SDA所連接的單片機(jī)IO口輸入輸出方向設(shè)置。圖2 MPU6050電路原理圖3 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)3.1 姿態(tài)檢測(cè)算法MPU6050采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC通信協(xié)議實(shí)時(shí)的向單片機(jī)傳送用戶姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括三軸加速度與三軸角速度信息，單片機(jī)通過算法分析數(shù)據(jù)，從而判斷用戶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。目前對(duì)摔倒進(jìn)行判斷主要有兩種方法，分別是基于模式識(shí)別的摔倒檢測(cè)方法和基于預(yù)設(shè)闊值的摔倒檢測(cè)方法 。在摔倒檢測(cè)算法的選擇上，由于模式識(shí)別的方法有較大的計(jì)算量，不適于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，因此本文選擇閥值判斷的方法進(jìn)行摔倒檢測(cè)。

8、同時(shí)由于傳統(tǒng)的閥值判斷的方法容易出現(xiàn)很多錯(cuò)判和漏判，本文對(duì)算法作進(jìn)一步改進(jìn)引入人體運(yùn)動(dòng)的角速度加以分析判斷，提高判斷準(zhǔn)確率。算法流程如圖3所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，一個(gè)典型的摔倒動(dòng)作曲線主要由人體失重過程，人體與地面的碰撞和人體相對(duì)地面靜止3部分組成。基于這3個(gè)過程建立了一種摔倒檢測(cè)算法，把加速度變化和角速度變化分別進(jìn)行判斷，再將輸出的判斷結(jié)果與靜止后的人體姿態(tài)進(jìn)行綜合分析，最終生成對(duì)是否發(fā)生嚴(yán)重摔倒動(dòng)作的判斷。圖3 摔倒檢測(cè)的閾值算法流程3.2 GPS數(shù)據(jù)解析算法GPS數(shù)據(jù)解析算法流程如圖4所示。圖4 GPS數(shù)據(jù)解析算法由于從GPS串口接收的數(shù)據(jù)幀是一長(zhǎng)串ASCII碼字節(jié)流，在沒有經(jīng)過分類提取之

9、前是無法加以利用的。因此，必須通過程序?qū)⒏鱾€(gè)字段的信息從接收到的字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)化成有實(shí)際意義的，可供高層決策使用的定位信息數(shù)據(jù)。對(duì)GPS信息進(jìn)行提取必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)幀，其幀頭是不同的，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC等。這些幀頭標(biāo)識(shí)了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。各幀均以回車符和換行符作為幀尾，標(biāo)識(shí)一幀的結(jié)束。4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析4.1 準(zhǔn)確度測(cè)試由于摔倒的實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，所以仍然選擇年輕人作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為 23周歲男性一名，23周歲女性一名。設(shè)定 FF為向前摔倒，膝蓋

10、彎曲，膝蓋先著地；FA 為向后摔倒，臀部先著地；FA為向左側(cè)摔倒，膝蓋彎曲；FR為向右側(cè)摔倒，膝蓋彎曲。其中每種模式各測(cè)50次，膝蓋著地是為了更加貼近實(shí)際摔倒的情況。表1 為各種模式下的摔倒檢測(cè)情況。表 1摔倒的檢測(cè)成功統(tǒng)計(jì)結(jié)果FFFAFLFR男50485049女49464846從表中可以看出，該算法對(duì)摔倒具有相當(dāng)?shù)拿舾行裕渲蠪F模式的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度最高，對(duì)于 FA、FL、FR 都有一定程度的漏報(bào)，這與實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)條件都有一定的關(guān)系。人體有意識(shí)的摔倒和無意識(shí)摔倒時(shí)身體的反應(yīng)是有所不同的，再加上實(shí)驗(yàn)條件不能絕對(duì)的保證測(cè)試者在摔倒的過程中完全不產(chǎn)生傷害，所以實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性并不能達(dá)到100%。實(shí)際

11、上該算法對(duì)摔倒有較高的敏感性，系統(tǒng)的檢測(cè)成功率還是比較高的。4.2 日常運(yùn)動(dòng)誤判測(cè)試該摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)原則是在沒有誤報(bào)的情況下保證足夠的成功率。因?yàn)槿绻谌粘Ｉ钪惺褂迷撗b置經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)勢(shì)必會(huì)給用戶造成很困擾。表2為實(shí)驗(yàn)的誤報(bào)情況統(tǒng)計(jì)。其中走的時(shí)間為30分鐘，跑步的時(shí)間為30分鐘，上樓和下樓的次數(shù)各為50次，坐下和蹲下各100次，電梯為50次，高處跳落 50次。表2 日常運(yùn)動(dòng)模式的誤判統(tǒng)計(jì)走路跑步上樓下樓坐下蹲下電梯跳落男01010002女00010004從上述的誤判情況統(tǒng)計(jì)表中可以看出，在人體的幾項(xiàng)活動(dòng)中，從高處跳落的誤報(bào)率比較高，其他幾項(xiàng)幾乎沒有出現(xiàn)誤判?？紤]到應(yīng)用的群體是老年人，跳落屬于危險(xiǎn)性的動(dòng)作，一般不會(huì)發(fā)生，所以出現(xiàn)誤報(bào)是可以接受的。電梯模式是前面的實(shí)驗(yàn)中未列出的運(yùn)動(dòng)模式，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該摔倒檢測(cè)系統(tǒng)在電梯中未出現(xiàn)誤報(bào)，所以可以看出系統(tǒng)的誤判率是非常低的。綜上所述，該