基于STM32的跌倒防護裝置研究
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2．2 加速度計
加速度計屬于慣性感測元件，可測量物體的加速度。本系統(tǒng)選用亞德諾半導體公司的一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器ADXL345本設計中加速度傳感器與單片機STM32F103RBT6采用I2C總線連接方式，測量范圍+16 g，使用最大分辨率(13位)，數(shù)據(jù)輸出速率100 Hz。初始化主要對ADXL345的數(shù)據(jù)輸出速率、測量范圍、分辨率、數(shù)據(jù)的對齊模式以及中斷觸發(fā)方式進行設置。
2．3 陀螺儀
陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置。本系統(tǒng)中選用意法半導體公司可以讓用戶自主設定量程，提供一個16位數(shù)據(jù)輸出的三軸陀螺儀L3G4200D。本設計中L3G4200D使用I2C數(shù)字接口與單片機STM32F103RBT6相連，量程使用±250 dps，數(shù)據(jù)速率100 Hz，初始化主要對L304 200D的量程、數(shù)據(jù)速率的進行設置。
2．4 無線傳輸模塊
系統(tǒng)加入無線通信模塊，在驗證算法時開啟無線通信，系統(tǒng)實時處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至上位機進行處理。本系統(tǒng)中使用Nordic公司電流消耗極低的RF24L01模塊。模塊與STM32單片機采用SPI方式連接，初始化主要對通信通道，通信頻率，數(shù)據(jù)寬度和收發(fā)模式進行設置。
3 軟件設計
本系統(tǒng)中是選擇穿戴式傳感器的方法設計跌倒探測器。由于腰部活動范圍和頻率都較小，一般都保持豎直位置，有利于檢測且舒適度高，因此將裝置佩戴在腰部。下面我們應用三軸加速度和角速度信號對人體的跌倒檢測技術進行研究，并詳細論述跌倒檢測算法。
3．1 算法設計
人體加速度向量幅值SVM判斷法是研究人體跌倒的常見方法。SVM通過計算加速度幅度反應人體運動的劇烈程度，其值越大說明運動越劇烈，其定義如式(1)。
式中，αx、αy、αz分別為加速度傳感器的X、Y、Z三軸輸出，單位為g。
采用該特征值的優(yōu)點在于其將空間的加速度合為一矢量，在跌倒判斷中忽略跌倒的方向。因為發(fā)生跌倒時，無論朝哪個方向，SVM都會超過某一闞值。而本系統(tǒng)使用的加速度閾值判斷法的的核心就是檢測人體的SVM的大小，從而判斷加速度是否超過正常范圍。下面對加速度閥值確定進行研究。
圖2是經過試驗得到的人體跌倒過程中的合加速度曲線。在跌倒過程中產生2個極值分別是圖2中第75個采樣點和第85個采樣點。第85個采樣點合加速度約為5．3g，這是由于人體跌倒時與地面碰撞產生的加速度，其幅值要比絕大多數(shù)日?；顒赢a生的加速度幅值都要大，因此，許多人體跌倒檢測的算法都是根據(jù)這個幅值來判斷。本文引用地址：http://2s4d.com/article/192863.htm
但是此幅值來判斷的跌倒檢測算法人體已經著地，跌倒傷害已經產生了，而本系統(tǒng)需要對人體進行保護，即必須在人體跌倒著地之前進行檢測，因此不符合本系統(tǒng)的設計要求。經過多次試驗找到符合本系統(tǒng)要求的過程(圖2中從第50到第75個采樣點左右)，該過程一直呈下降趨勢直到合加速約為零，且該過程也明顯區(qū)別于日常動作。本系統(tǒng)中把合加速度的閾值設為0．88 g，當合加速度小于0．88 g時，系統(tǒng)進入預警狀態(tài)，初步判定有可能發(fā)生跌倒，但是也有可能是突然站起或轉身等正常動作引起的。由于該過程一直呈下降趨勢，因此設計中將本次加速度的值與上一次的加速度值做差如果差值小于零計數(shù)，當計數(shù)值達到一定值的時候就可以判斷人體發(fā)生跌倒。
圖3是經過試驗得到的人體跌倒過程中的合角速度曲線(與圖2同一時刻)。通過試驗得到當合加速度值小于0．88 g至剛好著地的這段過程時(圖2中第55至第75個采樣點)，陀螺儀檢測的角速度卻是增大的。但是實際觀察多次跌倒的角速度波形，發(fā)現(xiàn)跌倒時角速度并不是線性增加的，它有時候也會減小，但是總體是增加的。根據(jù)M．N．Nyan，F(xiàn)rancis E．H．Tay，E．Murugasu等人的研究，在這一時段角速度的變化很小只有10°／s。于是在算法判斷加速度減少并計數(shù)的同時加入角速度做差值且是否變化在10°／s內。實驗中我們發(fā)現(xiàn)通過同時滿足加速度減小和角速度增加并計數(shù)能明顯減少單一運用加速度計的誤判。
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