基于STM32的跌倒防護(hù)裝置研究

摘要：基于STM32的用于老年人跌倒防護(hù)的裝置，由控制模塊，傳感器模塊，防護(hù)挽救模塊組成。控制模塊以STM32為核心，控制模塊接收傳感器模塊檢測(cè)的加速度、角速度信號(hào)，使用閾值判斷法進(jìn)行分析，并能夠在老年人發(fā)生跌倒但未完全著地前為后面開啟防護(hù)措施提供信號(hào)，從而避免老年人受傷害。實(shí)驗(yàn)顯示，本系統(tǒng)采用的跌倒判斷算法準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：跌到檢測(cè)；閾值算法；加速度計(jì)；陀螺儀；STM32

隨著老年人口的劇增，老齡化問題成為當(dāng)前社會(huì)的最突出問題。目前已知世界范圍內(nèi)60歲以上的老年人口已超過6億。跌倒對(duì)于老年人群而畜是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，除了肢體上的傷害，跌倒之后在心理及社交生活上也可能造成嚴(yán)重的后遺癥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約三分之一65歲以上老人平均每年跌倒一次。面對(duì)這種情況，開發(fā)跌倒智能探測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義。
目前的跌倒檢測(cè)可分為三類：基于視頻圖像的跌倒檢測(cè)，其不足之處是受空間上的限制、視頻圖像的質(zhì)量受環(huán)境影響較大和不能保證用戶的隱私安全；基于聲學(xué)系統(tǒng)的跌倒檢測(cè)，其不足之處是安裝復(fù)雜且資金投入比較大；基于穿戴式裝置的跌倒檢測(cè)，不受空間限制、環(huán)境干擾相對(duì)較小。
本系統(tǒng)開發(fā)的是基于穿戴式裝置的防跌倒裝置系統(tǒng)，是通過加速度計(jì)和陀螺儀對(duì)老年人身體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，采集到人體的加速度和角速度，再經(jīng)過徽處理器使用閾值判斷法進(jìn)行分析，并在未著地之前報(bào)警和進(jìn)行防護(hù)措施。本系統(tǒng)采用加速度計(jì)、陀螺儀和閾值判斷法使準(zhǔn)確度提高，日常行為的誤報(bào)低，并且實(shí)施保護(hù)防止老年人受到跌倒帶來的傷害。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)老人防跌倒裝置系統(tǒng)原理，整個(gè)系統(tǒng)有二部分組成：跌倒檢測(cè)部分和防護(hù)挽救部分。而跌倒檢測(cè)部分又由兩部分組成：系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，軟件算法使用閾值判斷法，硬件由以下四部分組成：
1)傳感器模塊：用加速度計(jì)、陀螺儀實(shí)時(shí)采集人體加速度信號(hào)和角速度信號(hào)，再通過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送到STM32核心控制模塊上。
2)SIM32核心控制模塊：接收傳感器A／D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理、分析并判斷是否符合跌倒條件，再通過D／A對(duì)安全氣囊進(jìn)行動(dòng)作。
3)無線傳輸模塊：它是用于本模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線通信，使上位機(jī)得到數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)出跌倒檢測(cè)的算法，并根據(jù)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
4)防護(hù)挽救模塊：通過STM32核心控制模塊對(duì)其發(fā)送動(dòng)作的信號(hào)，在老人沒跌倒在地之前進(jìn)行保護(hù)。
本文主要介紹跌倒檢測(cè)部分，即硬件設(shè)計(jì)部分和軟件算法。系統(tǒng)的整體構(gòu)圖如圖1。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 STM32F103RBT6單片機(jī)
基于穿戴式裝置要求系統(tǒng)輕便小巧和事前判斷跌倒發(fā)生要求處理單元運(yùn)行速度足夠快等因素考慮。本系統(tǒng)選用高性能的ARM?CortexTM—M3 32位的RISC內(nèi)核單片機(jī)STM32F103RBT6作為主處理單元，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到2條APB總線的外設(shè)。