一種基于慣性傳感技術的跌倒報警器設計資料分享

鑒于現(xiàn)階段老人跌倒報警器在攜帶等方面存在的問題，提出了一種利用陀螺儀、加速度計以及磁力計等慣性傳感元件設計的跌倒報警器，文章分別從原理、結構組成與軟件設計三個方面對跌倒報警器的研究過程展開詳細論述，最后通過實驗測試，驗證了所設計的跌倒報警器在實際應用中能夠對跌倒進行準確的判斷。

0 引言

隨著社會老年化的加重，老人獨居現(xiàn)象越來越普遍。不論對于家人，還是對于社會來說，老人健康都是一個急需解決的問題。老人由于身體各個部分的功能都在退化，因而很容易發(fā)生跌倒，而跌倒的發(fā)生將會對老人的身心造成無法估量的傷害。所以對老人的跌倒進行檢測，研究跌倒報警器具有重要的現(xiàn)實意義?；谏鲜鲈颍疚脑O計了一種可穿戴于腰部的跌倒報警器，跌倒檢測裝置內部有加速度計、陀螺儀和磁力計等慣性傳感元件，可以實現(xiàn)對老人跌倒的檢測，讓發(fā)生跌倒的老人可以及時得到醫(yī)療救援，降低跌倒對老人造成的傷害。

1 跌倒報警器研究現(xiàn)狀

跌倒報警器裝置是以無線對講系統(tǒng)作為基礎條件研發(fā)的新型裝置，但就目前跌倒報警器設計情況來說，設計者忽視了老人掌握現(xiàn)代化產品熟練程度。老人由于操作能力與視力逐漸下降，應用現(xiàn)代化設備難度較高。同時，老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度驚嚇，無法正確操作跌倒報警器。隨著科學技術水平顯著提升，慣性傳感技術的應用領域也越來越廣泛，尤其是近年來在跌倒檢測領域的應用，大大的降低了跌倒報警器的研發(fā)成本。慣性傳感技術在跌倒檢測應用中主要承擔兩方面工作，一方面是對老人日常行為進行實時監(jiān)測，另一方面是利用相關姿態(tài)解算算法分析判斷跌倒行為的發(fā)生。

2 跌倒報警器的工作原理

老人由于身體機能的衰退，容易失去平衡而發(fā)生跌倒。在老人身體跌倒的那一瞬間，老人的身體產生了向下的重力加速度，身體各個部位的加速度也會發(fā)生不同程度的變化。為了能夠方便對人體跌倒時各種變量的描述，必須建立空間坐標系。假設，以人體作為原點，將人體前后方向看成X軸，左右方向看成Y軸，人上下方向看成Z軸。人在實際運動過程中，所產生的加速度是由于人體運動姿態(tài)瞬間發(fā)生變化而產生的。在老人跌倒的過程中，慣性傳感元件將會檢測到加速度值和身體傾斜角值，通過分析加速度和角度的變化情況可以判斷出人體發(fā)生跌倒。

慣性傳感技術主要作用就是通過對老人生活行為進行實時監(jiān)測，分析判斷出跌倒行為的發(fā)生。圖1是跌倒報警器系統(tǒng)的原理圖，MPU6050六軸傳感器模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計，通過I2C接口連接STM32，根據(jù)傳感器不同的地址信息分別讀取MPU6050的角速度值和加速度值，然后利用四元數(shù)算法和姿態(tài)控制算法分析老人身體姿態(tài)和運動狀態(tài)。

3 基于慣性傳感技術的跌倒報警器硬件設計

跌倒報警器由五部分構成：單片機、通信模塊、檢測單元、發(fā)射模塊、家庭電話。中心數(shù)據(jù)處理模塊主要由兩部分構成，分別為單片機與通信模塊。通過完成對傳感器信號的整合處理操作，實現(xiàn)跌倒判斷。

3.1 單片機最小系統(tǒng)

在對單片系統(tǒng)硬件電路設計上，主要由四部分構成，分別為時鐘電路、電源電路、復位電路與BDM接口。不同子系統(tǒng)所具有的功能分別為：

1)時鐘電路在應用中，可以為單片機提供晶振;

2)電源電路所提供的電源電壓為5 V，可以為單片機運行提供穩(wěn)定電壓保證;

3)復位電路在系統(tǒng)電壓恢復到正常情況下，向單片機發(fā)出復位信號;

4)BDM接口可以為用戶提供專門接口，進而實現(xiàn)下載與調試等操作。

3.2 無線通信模塊電路設計

通信模塊電路主要承擔數(shù)據(jù)信息發(fā)送與接收任務，同時還可以與讀卡器、連接器相連接。通信模塊電路所產生的數(shù)據(jù)在單片機操作指令作用之下，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息雙向傳輸，讀取PDU與Text格式信息。本文應用的無線通信模塊芯片型號為PSoC27443，進而實現(xiàn)跌倒報警器無線通信功能。無線通信模塊電路設計如圖3所示。無線通信模塊采取編程排列方式，一旦其中一個元器件出現(xiàn)破損情況，可以隨時對其進行更替。

3.3 陀螺儀和加速度計模塊

陀螺儀通常被用來檢測物體旋轉的角速度值。本文在設計跌倒報警器度過程中一共運用了兩個陀螺儀，分別用來檢測老人前后站立角度與側向站立角度。加速度計被用來檢測物體由地球引力作用所產生的加速度值。本文選用了飛思卡爾公司所生產的慣性傳感器MPU6050，該型號的傳感器具有體積相對較小、質量輕等優(yōu)點。圖4為加速度計與陀螺儀兩者結構結合示意圖，為了能夠排除老人假摔，降低了對老人跌倒的誤判，傳感器內的卡爾曼系數(shù)采取可調節(jié)形式。

4 基于慣性傳感技術的跌倒報警器系統(tǒng)軟件設計

4.1 主要程序

跌倒報警器系統(tǒng)軟件部分一共由三部分構成，分別為傳感模塊、控制模塊與報警模塊。首先，跌倒報警器需要初始化設置，初始化設置完畢之后，再檢測是否有發(fā)送短消息，如果有，則根據(jù)跌倒報警器的指示執(zhí)行相應的操作;如果沒有，則檢測傳感信號，若有傳感信號，則根據(jù)指示做進一步的處理;如果沒有，則檢測是否有傳感器信號，若有，則根據(jù)信號進行相應地操作;如果沒有，則返回初始狀態(tài)，進行下一次檢測，如此循環(huán)往復。主程序流程如圖5所示。

4.2 短信息的編碼解析

目前，短消息模式主要有Text模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(protocol data unit)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來比較容易，但缺點是不能收發(fā)中文短信; 而PDU模式不僅支持英文短信，也能發(fā)送中文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼方式：

1) 7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符;

2) 8 bit 編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息;

3) UCS2編碼用于發(fā)送16位Unicode字符。

為了支持中文短信的收發(fā)，本系統(tǒng)采用PDU編碼模式。最終設計的基于慣性傳感技術的跌倒報警器如圖6所示。

5 基于慣性傳感技術的跌倒報警器的測試

跌倒報警器采用六軸運動傳感器檢測人體跌倒，采用GPS和基站定位(LBS)相結合的定位方式實時跟蹤老人運行軌跡，實現(xiàn)跌倒報警，軌跡查詢等功能，同時還具有一鍵SOS呼救功能，具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點，圖7顯示的是跌倒報警器的外觀圖。

測試者按照圖8佩戴好跌倒報警器后，在平穩(wěn)的道路上正常行走，通過模擬向前跌倒、向左側跌倒和向右側跌倒3鐘跌倒姿勢進行跌倒檢測實驗。實驗結果驗證了方案的可行性和準確性，所設計的基于慣性傳感技術的跌倒報警器能夠準確的檢測到跌倒的發(fā)生。

6 結論

本文針對老人摔倒后果的嚴重性，設計了一種基于慣性傳感技術的老人跌倒報警器。由于結合了現(xiàn)代智能手機，報警器具有裝置小巧、攜帶方便的特點，適用于經常單獨活動的老人。具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點，有著非常廣泛的應用前景和廣闊的市場。