畢業(yè)論文-基于多傳感器的老人跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于多傳感器的老人跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：隨著我國進(jìn)入老齡社會(huì)，越來越多的多的老人不得不獨(dú)自生活。一旦發(fā)生意外情況，老人如果無法自救，并且在身邊沒有人幫助的情況下將會(huì)非常危險(xiǎn)。其中當(dāng)屬跌倒帶來的威脅最大。為了減少跌倒后因發(fā)現(xiàn)不及時(shí)對(duì)老人身心所造成的巨大傷害，本文提出了一套應(yīng)用多個(gè)傳感器來準(zhǔn)確檢測老人跌倒并及時(shí)報(bào)警的系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用飛思卡爾公司生產(chǎn)的 MK60DN512ZVLL10 微處理器作為控制核心，檢測傳感器有MPU6050六軸傳感器和MS5611氣壓傳感器，并通過SIM908模塊實(shí)現(xiàn)定位報(bào)警功能。MPU6050模塊用以采集身體加速度信息，MS5611模塊負(fù)責(zé)獲取當(dāng)前所處海拔高度的數(shù)據(jù)。在

2、三軸加速度SMV閾值算法基礎(chǔ)上輔以海拔高度檢測，使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：跌倒 MPU6050 MS5611 SIM908 SVM閾值算法Design of Elderly Fall Detection System Based on Multi-sensorStudent majoring in automation Zhongxiang TianTutor Lihua ZhangAbstract：As our country enters the aging society, more and more old people have to live alone. If an unexp

3、ected situation occurs, the old man cannot save himself, and it will be very dangerous if there is no help around him. Among them the threat of falls is the greatest. In order to reduce the damage to the elderly and the physical and mental injury caused by the loss of time, this paper proposes a set

4、 of sensors to accurately detect the old people fall and timely alarm system. The system selects the MK60DN512ZVLL10 microprocessor produced by the Freescale Company as the control center; the detecting sensor has MPU6050 six axes sensors and MS5611 pneumatic sensors, and realizes the positioning al

5、arm function through the SIM908 module. The MPU6050 module is used to gather the body acceleration information, and the MS5611 module is responsible for obtaining the current altitude data. Based on the three-axis acceleration SMV threshold algorithm with altitude detection, the algorithm is more pr

6、ecise to the detection of falls. Key words: Fall； MPU6050； MS5611； SIM908； SMV threshold algorithm； 1 緒論1.1課題背景隨著各國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)結(jié)構(gòu)的改變，人口老齡化問題已經(jīng)成為人類不得不面對(duì)的共同難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國1559歲人口為92471萬人，占67.33%；60歲及以上人口為22182萬人，占16.15%，其中65歲及以上人口為14374萬人，占10.47%。同“全國第六次人口普查”相比，1559歲人口比重下降2.81個(gè)百分點(diǎn)，60歲及以上人口比重上升2.89個(gè)百分點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2020年，老年人

7、口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%，其中80歲以上老年人口將達(dá)到3067萬人；2025年，六十歲以上人口將達(dá)到3億，成為超老年型國家。同時(shí)，現(xiàn)在大量獨(dú)生子女在贍養(yǎng)老人方面所需承擔(dān)的責(zé)任，相比以往顯得更加沉重。為此年輕人外出工作以獲得更高的工資待遇，這已成為常態(tài)。隨之而來全國不斷涌出大量“空巢老人”。由于老年人身體各項(xiàng)機(jī)能在不斷的退化，使得跌倒在老年人群體中發(fā)生的概率大大增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年有35%的65歲及以上老年人跌倒過。一旦跌倒老人很容易骨折使其無法活動(dòng)，那些患有中風(fēng)、心腦血管疾病的老人的跌倒，很可能還會(huì)伴隨著昏迷。如果身邊沒有人及時(shí)發(fā)現(xiàn)送醫(yī)，必定會(huì)錯(cuò)過最佳治療時(shí)間，造成病情惡

8、化或者留下嚴(yán)重后遺癥，甚至導(dǎo)致死亡。跌倒已成為造成老人傷亡的最重要原因。1.2課題研究目的我們都很希望家里的老年人遠(yuǎn)離跌倒危險(xiǎn)，但是不可能只允許他們躺著或者坐著以防止跌倒。身體沒有疾病傷痛固然重要，但我相信對(duì)老人來說心里的舒暢更加珍貴。在我國廣大農(nóng)村，多數(shù)青年都外出打工，留下父母來照看其子女。這些老人的精力幾乎都放在了照看孩子這件事情上，有些空閑還要去忙農(nóng)活，活動(dòng)量很大。跌倒的風(fēng)險(xiǎn)可想而知會(huì)很高。在城市里獨(dú)自居住的空巢老人數(shù)量巨大，他們活動(dòng)強(qiáng)度看起來不是很大，但面對(duì)城市中錯(cuò)綜復(fù)雜的交通網(wǎng)，馬路上川流不息的汽車，可能每天還要上下樓梯，其實(shí)造成跌倒的因素也很多。面對(duì)當(dāng)前高昂的醫(yī)療費(fèi)用，重大傷病的治

9、療肯定會(huì)對(duì)整個(gè)家庭造成沉重地經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，這無疑會(huì)對(duì)老人心理產(chǎn)生更大傷害。本文針對(duì)如何避免老人跌倒后不能及時(shí)自救，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)通過多種傳感器采集實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過微控制器計(jì)算和分析后得到身體姿態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)有跌倒發(fā)生就會(huì)及時(shí)控制通信模塊向外界發(fā)送含位置信息的報(bào)警求救短信的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)在保證檢測準(zhǔn)確的前提下，又要考慮盡量小型化以便于攜帶，同時(shí)為了市場的需要又要控制產(chǎn)品成本。該系統(tǒng)旨在降低跌倒對(duì)老人造成的身體及心理的傷害，延長老人壽命，并增強(qiáng)老人的安全感和幸福感。1.3國內(nèi)外關(guān)于該課題的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外關(guān)于跌倒檢測技術(shù)都進(jìn)行了很多的研究，提出的解決方法主要由以下三種：通過視頻檢測、通過音頻檢測，通

10、過穿戴式傳感器檢測。其中使用視頻檢測方法是運(yùn)用在家里安裝的攝像頭獲取老人視頻圖像，在同數(shù)據(jù)庫中的歷史圖像進(jìn)行比較分析，通過一些算法進(jìn)而判斷當(dāng)前老人身體姿態(tài)是否正常。當(dāng)前該方法還存在著一些問題，例如因攝像頭的安放相對(duì)固定，致使其有效監(jiān)測的區(qū)域十分有限當(dāng)，老人走出該區(qū)域時(shí)，則該系統(tǒng)起不到任何作用。另外要安裝一套跌倒視頻監(jiān)測系統(tǒng)，其價(jià)格還是比較高昂的，一般家庭還承受不起，現(xiàn)階段難以推廣。并且還會(huì)受到光線等因素的影響。通過音頻檢測跌倒，利用了老人在跌倒瞬間產(chǎn)生的聲音信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析來判斷是否跌倒。這種方法最大的不足就是容易受到干擾。因?yàn)樵谖覀兩畹沫h(huán)境中可能會(huì)遇到各種噪音，這很容易就會(huì)導(dǎo)致音頻檢測系

11、統(tǒng)的誤報(bào)。跌倒時(shí)發(fā)出的聲音會(huì)隨跌倒者身邊的環(huán)境的改變而改變，想要過濾掉所有噪聲精準(zhǔn)檢測這對(duì)系統(tǒng)的硬件與算法要求都非常高。運(yùn)用可穿戴式裝置進(jìn)行跌倒檢測的方式，就是把一些小型檢測傳感器如加速度器、氣壓計(jì)嵌入到可穿戴裝置中，進(jìn)行對(duì)身體姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測，并通過微處理器對(duì)檢測數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到結(jié)果，控制相應(yīng)的通信模塊發(fā)出跌倒報(bào)警信息。這種方法幾乎不受地域空間的限制，幾乎在任何地方都可以很好的實(shí)時(shí)進(jìn)行跌倒檢測及報(bào)警。另外這種裝置攜帶方便，檢測準(zhǔn)確率高，造價(jià)也相對(duì)便宜，很有發(fā)展?jié)摿Α? 跌倒檢測系統(tǒng)的硬件組成及相關(guān)技術(shù)2.1老人跌倒檢測系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)該系統(tǒng)整體的功能結(jié)構(gòu)如圖2-1所示: 圖2-1系統(tǒng)硬件功能結(jié)

12、構(gòu)圖本跌倒檢測系統(tǒng)分別由微控制器MK60DN512ZVLL10、負(fù)責(zé)測量加速度的MPU6050模塊、用于海拔高度測量的MS5611模塊、用于GPS定位及短信報(bào)警的SIM908模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊等組成。將以上模塊整合到一塊pcb板上，使整個(gè)裝置盡量易于穿戴并且不影響使用者的正常生活?？紤]到盡量準(zhǔn)確的測量老人身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，建議使用者將該裝置穿戴在其腰部。由圖2-1可以清楚的看出，本系統(tǒng)以微控制器為核心，通過運(yùn)算處理加速度計(jì)、高度計(jì)所采集的數(shù)據(jù)，判斷是否老人發(fā)生跌倒，如果判定是跌倒則會(huì)啟動(dòng)GPS定位跌倒發(fā)生位置并將位置信息及時(shí)通過短信的方式通知其家屬，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警蜂鳴器向周邊人群求救。當(dāng)然

13、，任何檢測設(shè)備都不可能做到萬無一失，所以我還為該設(shè)備設(shè)計(jì)了應(yīng)急按鍵，當(dāng)系統(tǒng)誤報(bào)時(shí)，在十秒之內(nèi)只要按一下取消報(bào)警按鍵便可以取消發(fā)送短信，并且停止蜂鳴器鳴叫。只要按下報(bào)警按鍵，就算系統(tǒng)未檢測到跌倒也會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序：響蜂鳴器同時(shí)向外界發(fā)送位置坐標(biāo)短信。2.2數(shù)據(jù)采集模塊本跌倒檢測系統(tǒng)需要準(zhǔn)確測量出老人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的加速度和身體重心高度變化信息，還要盡量輕巧，不能影響老人的正常生活。所以本系統(tǒng)選用了體積小、精度高的MPU6050六軸加速度模塊和MS5611氣壓傳感器模塊。兩模塊內(nèi)部都整合了一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，且都集合了SPI和I2C總線接口。使得微處理器對(duì)兩傳感器信號(hào)的接收和

14、處理更加方便。2.2.1 MPU6050模塊MPU6050模塊是InvenSense公司推出的一款低成本的6軸傳感器模塊，包括三軸加速度，三軸角速度。相比于分離式大陀螺儀傳感器和加速度傳感器，很大程度上避免了因使用不同傳感器帶來的時(shí)間和空間的差距問題。其體積小巧，用途非常廣，在做平衡小車，四軸飛行器，飛行鼠標(biāo)等等，都是必不可少而且是最優(yōu)的傳感器解決方案。圖2.2為MPU6050模塊實(shí)物圖。圖2.2 MPU6050實(shí)物圖MPU6050擁有一個(gè)十六位的A/D轉(zhuǎn)換器，加速度的范圍包括2g、4g、8g 和16g 多個(gè)可調(diào)范圍,陀螺儀范圍分為250/s、500/s、1000/s 和2000/s 多個(gè)可調(diào)

15、范圍。芯片尺寸小，節(jié)約空間易于攜帶。模塊內(nèi)部還集成了穩(wěn)壓電路，對(duì)常見的3.3V/5.5V的嵌入式系統(tǒng)都能夠完美兼容，這給開發(fā)者帶來了極大大方便。模塊內(nèi)部還做了許多數(shù)字和硬件濾波處理，在很大程度上降低了噪聲，使加速度信息更精確。圖2-3顯示了MPU6050的參考坐標(biāo)系以及對(duì)應(yīng)的3個(gè)測量軸和測量的旋轉(zhuǎn)方向。圖2-3 MPU6050參考坐標(biāo)系圖MPU6050檢測到的加速度數(shù)據(jù)可以通過其內(nèi)置的I2C總線接口傳輸。與微處理器相連接，此時(shí)微處理器為主設(shè)備，MPU6050為從設(shè)備。采用I2C通信最大傳輸速率為400KHZ。該模塊在使用時(shí)只需要接SDA（I2C串行時(shí)鐘線）、SDA（I2C串行數(shù)據(jù)線）、VCC和

16、GND四個(gè)引腳。MPU6050模塊的接口說明如表2-1：表2-1 MPU6050模塊接口說明引腳序號(hào)引腳名稱功能描述1VCC電源地2GND供電3SCLI2C串行時(shí)鐘線4SDAI2C串行數(shù)據(jù)線2.2.2 MS5611模塊該跌倒檢測系統(tǒng)利用氣壓傳感器測定實(shí)時(shí)大氣壓強(qiáng)的值，通過微處理器處理換算為海拔高度信息。該設(shè)備最好穿戴在使用者腰部位置，能夠相對(duì)準(zhǔn)確的測得老人的身體重心所處的海拔高度。結(jié)合加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，通過算法計(jì)算來判斷出老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否為跌倒。本系統(tǒng)選用MS5611-o1BA氣壓傳感器來測量老人重心高度變化。如圖2-4所示，MS5611氣壓傳感器是瑞士公司MEAS生產(chǎn)的一款應(yīng)用廣泛地高分辨率

17、氣壓傳感器，功率很低，正常工作 狀態(tài)下電流為1uA，而待機(jī)狀態(tài)下甚至小于0.15uA。采用QFN封裝，尺寸為5.03.01.0 mm3,最高分辨率可達(dá)到10cm。MS5611模塊內(nèi)含有一個(gè)高性能的壓力傳感器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間低于一毫秒。該模塊的供電電壓為1.8V3.6V,內(nèi)部還包含一個(gè)超低功耗的24為A/D轉(zhuǎn)換器，用來把壓力傳感器測得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，更便于數(shù)據(jù)的傳輸和計(jì)算。圖2-4 MS5611實(shí)物圖MS5611氣壓傳感器提供I2C和SPI接口，不需要對(duì)模塊內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程，本系統(tǒng)采用I2C接口接收MS5611氣壓數(shù)據(jù)，。可工作的范圍:101200mbar,-40+85。MS5611可

18、在多種操做模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)速度和降低電流消耗的目標(biāo)。圖2-5為MS5611的電路圖。圖2-5 MS5611的電路圖2.3微處理器模塊微控制器是整套跌倒檢測裝置的控制核心，不管是數(shù)據(jù)處理，還是設(shè)備間的通信、控制都是由該模塊完成的。所以它的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，其選擇的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾條：（1）模塊封裝必須小巧、輕便。（2）控制芯片內(nèi)所集成的功能要強(qiáng)大，并具有足夠多的外部IO引腳來滿足該系統(tǒng)完成各項(xiàng)工作的需要。（3）功耗低，以保障能長時(shí)間的續(xù)航。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量少，不會(huì)令穿戴者產(chǎn)生不適感。（4）成本盡量低，產(chǎn)品供貨充足。綜合以上幾點(diǎn)要求，微控制器選擇了飛思卡爾K60

19、系列MK60DN512ZVLL10單片機(jī)。如圖2-6所示，芯片采用ARMCortex-M4內(nèi)核的32位中央處理器，具有100個(gè)IO接口，512KB程序存儲(chǔ)器，128KB的RAM，處理速度可達(dá)100MHZ，并具有10種低功耗模式，很好的優(yōu)化外圍設(shè)備和恢復(fù)時(shí)間，低功耗定時(shí)器支持可以在芯片處于低功耗模式下穩(wěn)定運(yùn)行。該款單片機(jī)具有四種可配置分辨率的高速ADC，并且可選擇單路輸出或差分輸出模式，兩個(gè)12位DAC、3個(gè)高速比較器、四個(gè)64位可編程增益放大器。在連接和通信發(fā)面該單片機(jī)功能也很全面，具有USB 2.0 On-The-Go(全速和高速)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的充電檢測功，還能對(duì)充電電流或時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，延長各

20、種USB設(shè)備電池使用壽命。電源電壓支持范圍：1.71V-3.6V，支持6個(gè)UART，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘。它還具有2個(gè)CAN模塊，用于網(wǎng)絡(luò)橋接，具有3個(gè)同步串行口SPI和2個(gè)I2C，有32通道的DMA應(yīng)用于外圍設(shè)備和內(nèi)存，可加快傳輸速度，并降低CPU負(fù)載。圖2-6 MK60DN512ZVLL10單片機(jī)2.4定位報(bào)警模塊 2.4.1 GPS定位技術(shù)及GSM通信技術(shù)簡介隨著當(dāng)今信息技術(shù)的快速發(fā)展，以前遙不可及的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在也應(yīng)用到了尋常百姓家。像現(xiàn)在普及的智能手機(jī)，衛(wèi)星定位功能基本上都是必備的。還有運(yùn)鈔車、快遞車、甚至很多家用轎車都安裝了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)控跟蹤。目前能提供全球定位服務(wù)的有兩

21、大系統(tǒng)，一個(gè)是美國的GPS定位系統(tǒng)，另一個(gè)是俄羅斯的GLASS定位系統(tǒng)，其中GPS系統(tǒng)現(xiàn)在商業(yè)運(yùn)營最為成熟。中國的北斗系統(tǒng)只是覆蓋了亞太區(qū)域，市場還有待開發(fā)，民用領(lǐng)路還不夠普及。GPS全球定位系統(tǒng)最初主要是從軍事方面考慮進(jìn)行研發(fā)和設(shè)計(jì)的，后來慢慢發(fā)現(xiàn)其在民用和商用方面也用著巨大的潛力，并得以迅速的推廣使用。整個(gè)系統(tǒng)最少需要24顆衛(wèi)星，才能保障地球上任何位置都能在同一時(shí)間內(nèi)定位到至少四顆衛(wèi)星，來得到精確的位置信息。GSM（Global System of Mobile communication）即全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，是全球應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM被認(rèn)為是第二代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)（2G），同時(shí)它

22、是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)。GSM只能使用短信形式傳送數(shù)據(jù)，無法做到“實(shí)時(shí)在線”、“按量計(jì)費(fèi)”。GPRS（General Packet Radio Service）即通用分組無線業(yè)務(wù)，是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)推出的介于2G和3G之間的移動(dòng)通信技術(shù)。GPRS技術(shù)使得數(shù)據(jù)傳輸速度從GSM系統(tǒng)最高9.6kbit/s一下子提升到了最高171.2kbit/s，推動(dòng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。該技術(shù)具有可永久在線、穩(wěn)定性高、接入時(shí)間短、傳輸速率高等特點(diǎn)，因而在許多行業(yè)都有大范圍的運(yùn)用，特別是一些需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男袠I(yè)中其優(yōu)勢尤為明顯。2.4.2 SIM908模塊跌倒檢測裝置當(dāng)檢測到老人跌倒后，要實(shí)現(xiàn)立即定位老人當(dāng)前所處位

23、置，并通過短信的形式，將位置坐標(biāo)信息及時(shí)發(fā)送給其家屬或急救中心以尋求救助。本裝置選用SIM908模塊來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位通信報(bào)警功能。SIM908采用工業(yè)級(jí)芯片，可工作在5V24V電壓范圍內(nèi)，具有GPS定位、短信、GPRS數(shù)據(jù)、語音傳輸?shù)裙δ?。該模塊具有以下主要特點(diǎn)：（1）具有GPS定位功能，準(zhǔn)確定位老人跌倒位置。（2）具有GSM、 GPRS、短信等傳輸功能。（3）支持AT指令并實(shí)現(xiàn)串口通信，方便數(shù)據(jù)傳輸。（4）支持低功耗模式，延長系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間。（5）集成度高，體積小，性能穩(wěn)定。（6）具有基站定位功能，有天線接口，可增接收強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。圖2-7 SIM908實(shí)物圖SIM908模塊提供兩個(gè)不平衡的一步串

24、行接口，其中一個(gè)串口用于通信，另一個(gè)串口用于數(shù)據(jù)調(diào)試和GPS輸出。用到的該模塊的引腳如表2-2：表2-2 SIM908模塊引腳定義引腳名稱引腳號(hào)功能VBAT62電源供應(yīng)PWRKEY3開啟/關(guān)閉模塊RXD68接收數(shù)據(jù)TXD71發(fā)送數(shù)據(jù)RTS66請(qǐng)求發(fā)送CTS67清楚發(fā)送GPS/DBG-TXD15GPS 信息輸出，數(shù)據(jù)調(diào)試和GPS/DBG-RXD16GPS 信息輸出，數(shù)據(jù)調(diào)試和SIM908模塊與MK60DN512ZVLL10單片機(jī)連接，通過串口接收AT指令，來完成各項(xiàng)功能，連接圖如圖2-8：圖2-8 SIM908模塊連接圖3 跌倒檢測系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計(jì)硬件部分相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的軀體，而軟件算法部分才

25、真正賦予了它生命。本章主要介紹跌倒檢測算法、GPS定位功能、系統(tǒng)程序整體運(yùn)行過程。 3.1跌倒檢測實(shí)現(xiàn)3.1.1人體坐標(biāo)系經(jīng)過對(duì)大量跌倒數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，跌倒檢測裝置佩戴位置的不同，對(duì)檢測的準(zhǔn)確性影響很大。當(dāng)該裝置被穿戴在腰部位置時(shí)，其檢測的準(zhǔn)確率最高。腰部最接近人體重心的位置，受到人體局部肢體運(yùn)動(dòng)的影響較小，能最大程度上反映出人體整體的身體姿態(tài)。以腰部為原點(diǎn)建立人體坐標(biāo)系o-xyz，令ax，ay，az分別代表人體在三個(gè)正方向的加速度大小。則當(dāng)人靜止時(shí)或向一個(gè)方向勻速行走時(shí)，ax，ay的值均為0，而az正好為-g。圖3-1人體坐標(biāo)軸3.1.2加速度SVM閾值算法人體意外跌倒的原因有許多，跌倒的方

26、向、加速度、位移都具有隨機(jī)性，因而不可能通過一軸加速度的變化情況，就能判斷出人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。另外，跌倒檢測裝置三個(gè)加速度的測量軸方向由于人體不斷運(yùn)動(dòng)，不可能實(shí)時(shí)保持和人體坐標(biāo)軸相一致，使得分別分析ax，ay，az的變化情況來檢測跌倒變得難以實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)運(yùn)用加速度SVM閾值算法很好的解決了以上問題。加速度SVM閾值算法就是首先利用公式（*1）計(jì)算出加速度幅值SVM；接著對(duì)老人的各種身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的SVM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，得到一個(gè)合適的SVM閾值；最后只需利用當(dāng)前檢測到的加速度幅值SVM同SVM閾值進(jìn)行比較即可判斷老人是否跌倒。 （*1）3.1.3加速度數(shù)據(jù)的采集與分析為了避免老人在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)

27、，本實(shí)驗(yàn)選擇了10名身體健康的年輕志愿者參加。實(shí)驗(yàn)包含11個(gè)測量項(xiàng)目，分別讓10名志愿者穿戴同一跌倒檢測裝置進(jìn)行測量，記錄每次測量到的加速度幅值SVM峰值。最后利用公式（*2）分別計(jì)算出每個(gè)項(xiàng)目峰值的平均值。 （*2）其中ai代表各單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)每名志愿者加速度幅值SVM的峰值，i代表每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目加速度幅值SVM的峰值的平均值。老人11種活動(dòng)所產(chǎn)生的加速度幅值SVM峰值如圖3-2所示，老人正常的活動(dòng)所產(chǎn)生的加速度幅值SVM峰值都不是很大，不會(huì)超過13m/s2,但是跌倒所產(chǎn)生的峰值都大于14 m/s2。為了確保老人跌倒后該裝置能及時(shí)報(bào)警，設(shè)定本實(shí)驗(yàn)跌倒檢測到的最小加速度幅值SVM峰值14.56 m/s

28、2為本系統(tǒng)SVM閾值。圖3-2 速度幅值SVM峰值分布圖3.1.4海拔高度數(shù)據(jù)的采集與分析由于日常生活中人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，僅憑借加速度計(jì)的檢測判斷難免會(huì)發(fā)生誤判，這給使用者帶來了不便。為了提高系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確度，檢測裝置中加入了氣壓計(jì)來測量海拔高度的變化。如圖3-3所示，在老人跌倒這很短的時(shí)間內(nèi)，其重心所處海拔高度會(huì)有一個(gè)明顯的降低，并且之后的很長時(shí)間都會(huì)保持較低的狀態(tài)。通過這個(gè)特點(diǎn)很容易就可以區(qū)分出跳躍、跑步等一些加速度變化同跌倒相似的活動(dòng)狀態(tài)，從而減少誤判情況。圖3-3 跌倒過程海拔高度變化圖3.1.5跌倒檢測算法本系統(tǒng)的跌倒檢測全部流程如圖3-4所示，主要經(jīng)過三個(gè)條件的判斷最終確認(rèn)是否跌

29、倒。首先，實(shí)時(shí)采集加速度數(shù)據(jù)和海拔高度h，計(jì)算出加速度幅值SVM。判斷SVM是否大于SVM閾值，如果不是則把h賦值給h1（跌倒前正常的海拔高度），若是則等待0.5秒后檢測一下這時(shí)裝置是否保持靜止即SVM約等于g。因?yàn)楫?dāng)人體跌倒后很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)接觸到地面，會(huì)保持一段時(shí)間的靜止，因此加速度幅值SVM接近g。若以上兩個(gè)加速度方面的判據(jù)都符合，則最后檢測海拔高度的變化情況。由于跌倒前后身體重心肯定會(huì)降低一定高度，就用h1減去延時(shí)0.5秒后檢測到的h，如果結(jié)果大于海拔高度差的閾值就判定為跌倒。圖 3-4 跌倒檢測流程圖3.2 GPS定位功能3.2.1 AT指令當(dāng)本系統(tǒng)檢測到老人跌倒后，就會(huì)通過 GSM

30、短信的方式發(fā)送警報(bào)短信。在系統(tǒng)的定時(shí)器中斷程序中，一旦檢測到相應(yīng)的短信標(biāo)志位被置為1時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)開啟 SIM908 無線通信定位模塊，進(jìn)行GPS定位，并將位置信息以短信的方式發(fā)送出去。SIM908 的操作均是通過 AT 指令實(shí)現(xiàn)的。AT 指令是以 AT 作首，其語法格式為AT，其中為命令，為參數(shù)。響應(yīng)的指令均以$開頭，以回車換行為結(jié)束，結(jié)束用轉(zhuǎn)義符號(hào)rn 表示。每個(gè)指令執(zhí)行成功與否都有相應(yīng)的返回值，指令發(fā)送正確時(shí) SIM908 模塊會(huì)返回 “OK”字符串，指令發(fā)送錯(cuò)誤時(shí) SIM908 模塊會(huì)返回“ERROR”字符串。SIM908 模塊 SIM卡初始化：AT+CNMI=2,2rn 設(shè)置新短信接收

31、模式：直接顯示AT+CMGF=1rn 選擇短信發(fā)送格式： AT+CMGF=1 為 text 格式，AT+CMGF=0 為 PDU 格式。GSM短信的發(fā)送方式通常有 Text 和 PDU 兩種形式，使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。3.2.2 GPS數(shù)據(jù)解析在模塊內(nèi)部集成了GPS 定位功能，也是通過 AT 指令來獲得當(dāng)前的位置信息的。AT+CGPS=1 啟動(dòng)為 1，關(guān)閉為 0AT+CGPSIPR 設(shè)置本地波特率AT+CGPSINF 測取當(dāng)前 GPS本地信息GPS 啟動(dòng)運(yùn)行后，在一定的周期段內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)

32、自動(dòng)返回固定格式的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式為：$信息類型,數(shù)據(jù)以$開頭，其后為信息類型和數(shù)據(jù)。信息類型包括 GPGGA-GPS定位信息，GPVTG-地面的速度信息，GPRMC-推薦的最小定位信息，GPGSV-可見衛(wèi)星信息，GPGSA-當(dāng)前衛(wèi)星信息等。每種信息類型后面的數(shù)據(jù)內(nèi)容是不一樣的，我們以推薦最小定位信息GPRMC 為例進(jìn)行數(shù)據(jù)解析： UTC 時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式，這個(gè)是格林威治時(shí)間，是世界時(shí)間（UTC），我們需要把它轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間（BTC），BTC和UTC差了8個(gè)小時(shí)，要在這個(gè)時(shí)間基礎(chǔ)上加8個(gè)小時(shí)。 定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳

33、輸) 緯度半球N(北半球)或S(南半球)經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸) 經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))地面速率(000.0999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸)地面航向(000.0359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸) UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式磁偏角(000.0180.0度，前面的0也將被傳輸) 磁偏角方向，E(東)或W(西)模式指示(A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效)3.3系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)整個(gè)老人跌倒檢測系統(tǒng)的控制流程如圖3-5所示，程序運(yùn)行后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)內(nèi)部各單元的初始化，系統(tǒng)各模塊和系統(tǒng)中定義的函數(shù)、變

34、量的初始化。初始化完成之后，就會(huì)進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，在此期間如果發(fā)生中斷，將會(huì)運(yùn)行中斷服務(wù)程序的。用到的中斷有兩種，一種是定時(shí)器中斷，其中斷服務(wù)函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集加速度和海拔高度數(shù)據(jù)，判斷老人是否跌倒。另一種是按鍵控制的外部中斷，當(dāng)發(fā)生漏判或者誤判時(shí)，用來及時(shí)發(fā)出或取消報(bào)警。當(dāng)檢測到跌倒或報(bào)警按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)退出低功耗模式，開始驅(qū)動(dòng)SIM908模塊，從而獲取GPS地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)并通過GSM短信的方式發(fā)送給其看護(hù)人。圖 3-5 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖4 總結(jié)隨著人口老齡化問題不斷加深，老年人的健康醫(yī)療與安全監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為了一個(gè)非常有研究價(jià)值的領(lǐng)域。本文主要針對(duì)老年人跌倒后如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并營救的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)通過多種傳感器采集實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過微控制器計(jì)算和分析后得到身體姿態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)有跌倒發(fā)生就會(huì)及時(shí)控制通信模塊向外界發(fā)送報(bào)警求救信號(hào)的系統(tǒng)。在三軸加速度SMV閾值算法基礎(chǔ)上輔以海拔高度檢測，最終實(shí)驗(yàn)得到的檢測結(jié)果很令人滿意。論文主要工作如下:(1）首先通過查找相關(guān)的資料,了解當(dāng)前跌倒檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析現(xiàn)行方案的優(yōu)缺點(diǎn)。（2）建立人體坐標(biāo)系 ，選擇合適