老齡化社會(huì)催生的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　隨著人類生活水平的不斷提高，人口老齡化成為一個(gè)全球性的發(fā)展趨勢(shì)。目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)［1］，老年人的身心健康問(wèn)題得到人們更多的關(guān)注。老年人因生理結(jié)構(gòu)衰老和身體機(jī)能減退，發(fā)生意外跌倒的概率和頻率非常高［2］。跌倒可以導(dǎo)致老年人身體組織挫傷、骨折甚至危及生命，并從心理上給老年人造成了壓力和恐懼感。實(shí)際上很多傷亡并不是由于意外跌倒本身造成的，而是由于跌倒發(fā)生后，老年人沒有得到及時(shí)的救治造成的［3］。尤其現(xiàn)在社會(huì)上存在很多訛詐現(xiàn)象，導(dǎo)致人們不敢輕易伸出援助之手。因此，在老年人發(fā)生跌倒后，如何盡早被發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出求救信號(hào)進(jìn)行及時(shí)救治變得格外重要。為了老年人更健康地生活，研究設(shè)計(jì)一個(gè)老年人的跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)具有十分重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。

　　目前，研究開發(fā)人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)方面的技術(shù)有很多種，最常見的是圖像分析和加速度分析法。文獻(xiàn)［4-6］都是基于視頻圖像分析的室內(nèi)跌倒自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，這種技術(shù)準(zhǔn)確性高，人體動(dòng)作清晰可見，但需要多部攝像機(jī)同時(shí)工作，且暴露了用戶的個(gè)人隱私，監(jiān)測(cè)范圍有限，受環(huán)境的影響也很大。另一種加速度分析方法，主要基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electromechanical System，MEMS）傳感器。MEMS技術(shù)近幾年得到了快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在跌倒檢測(cè)、狀態(tài)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等方面。文獻(xiàn)［7-9］都是利用MEMS技術(shù)進(jìn)行人體跌倒檢測(cè)的，目前國(guó)內(nèi)一些基于MEMS技術(shù)的跌到檢測(cè)雖可較好實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)，但大多計(jì)算量較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，難以得到廣泛的應(yīng)用。

　　設(shè)計(jì)一種基于Arduino和三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集人體加速度參數(shù)和地理位置信息，應(yīng)用于老年人意外跌倒后及時(shí)報(bào)警，兼具了性價(jià)比高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高、低功耗、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由Arduino最小系統(tǒng)、加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1 跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)框圖

　　Arduino 實(shí)時(shí)接收加速度參數(shù)采集模塊傳來(lái)的人體加速度參數(shù)值，單片機(jī)通過(guò)接收來(lái)的加速度值，經(jīng)過(guò)跌倒檢測(cè)算法來(lái)判斷穿戴者的體態(tài)，如果檢測(cè)出跌倒的發(fā)生，便觸發(fā)跌倒報(bào)警機(jī)制。當(dāng)?shù)拱l(fā)生時(shí)，通過(guò)GPS定位模塊能捕獲到穿戴者的具體地理位置，然后發(fā)出包含跌倒位置的報(bào)警求救信息，通知佩戴者的監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療機(jī)構(gòu)，進(jìn)行后續(xù)的救治。本系統(tǒng)在考慮這些功能需求的前提下，采用Arduino為控制核心，外圍連接加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分主要包括微控制器最小系統(tǒng)的選取、加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，以及各個(gè)模塊之間的連接。

　　2.1 Arduino平臺(tái)

　　Arduino 是一款基于開源的電子原型設(shè)計(jì)平臺(tái)。Arduino包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路設(shè)計(jì)的電路板，基于AVR系列單片機(jī)和ARM微控制器，有豐富的外設(shè)接口和硬件資源；軟件部分則是Arduino IDE，是在計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境［10］。Arduino的模塊化設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　其中，微控制器最小系統(tǒng)選用 Arduino Uno，它是基于ATMEL公司的ATmega328P單片機(jī)的硬件平臺(tái)，具有32KB Flash、1KB EEPROM、14路數(shù)字輸入輸出口（其中6路可用于PWM輸出）、6路模擬輸入接口。同時(shí)，Uno預(yù)置了Bootloader程序，不需要其他外部燒寫器，可以直接通過(guò)USB下載程序。

　　2.2 加速度傳感器ADXL345

　　ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有多種可變的測(cè)量范圍，高分辨率，高靈敏度，超小的封裝，超低的功耗，標(biāo)準(zhǔn)的I2C或 SPI數(shù)字接口，32級(jí)FIFO存儲(chǔ)，以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活的中斷方式等特性［11］。所有這些特性，使得 ADXL345有助于大大簡(jiǎn)化跌倒檢測(cè)算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測(cè)器應(yīng)用的加速度傳感器。圖2為ADXL345功能框圖。

　　圖2 ADXL345功能框圖

　　ADXL345 標(biāo)準(zhǔn)的I2C數(shù)字接口可以和Arduino Uno的I2C接口方便通信，將ADXL345采集到的人體三軸加速度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)進(jìn)行跌倒檢測(cè)算法處理，圖3給出了ADXL345和單片機(jī)之間的 I2C總線典型連接圖。ADXL345的（CS） ？管腳接高電平，表示ADXL345工作在I2C模式。SDA和SCL是I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，分別連接到Arduino Uno相應(yīng)的I2C總線接口（A4和A5）。ADXL345的INT1管腳連接到Arduino Uno的INT0（Pin 2），用來(lái)產(chǎn)生中斷信號(hào)。

　　圖3 ADXL345和單片機(jī)之間的I2C典型連接圖

　　2.3 GPS定位和GSM通信模塊SIM908

　　SIM908 是一款集成了高性能GSM/GPRS引擎和GPS引擎的芯片。其中的GSM/GPRS引擎可以工作在GSM 850MHz，EGSM 900MHz，DCS 1800MHz和PCS 1900MHz四個(gè)頻段；GPS引擎具有一流的采集和跟蹤靈敏度、TTFF（Time-To-First-Fix）和準(zhǔn)確度［12］，這些特性可以很好地完成跌倒位置定位和發(fā)送報(bào)警信號(hào)的任務(wù)。在SIM908芯片上可以同時(shí)完成GPS定位和GSM通信功能，可以大大減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量和功耗。圖4為 SIM908的功能框圖。SIM908通過(guò)UART口與Arduino Uno進(jìn)行通信，RXD和TXD分別與Uno的TXD和RXD相連，完成跌倒位置的GPS數(shù)據(jù)的捕獲和發(fā)送GSM報(bào)警短信功能。

　　圖4 SIM908功能框圖

　　3算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

　　3.1 跌倒檢測(cè)算法

　　對(duì)跌倒檢測(cè)原理的研究主要是找到人體在跌倒過(guò)程中的加速度變化特征。圖5給出的是加速度在不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化曲線，包括（a）步行上樓、（b）步行下樓、（c）坐下、 （d）起立。其中紅色的曲線是Y軸（垂直方向）的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為-1g；黑色和黃色的曲線分別是X軸（前后方向）和Z軸（左右方向）的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為0g；綠色的曲線是三軸加速度的矢量和，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為+1g。

　　圖5 不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度變化曲線

　　由于老年人的運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較慢，所以在普通的步行過(guò)程中，加速度變化不會(huì)很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動(dòng)作中Y軸加速度（和加速度矢量和）上有一個(gè)超過(guò) 3g的尖峰，這個(gè)尖峰是由于身體與椅子接觸而產(chǎn)生的。而跌倒過(guò)程中的加速度變化則完全不同。圖6給出的是意外跌倒過(guò)程中的加速度變化曲線。通過(guò)圖6和圖5 的比較，可以發(fā)現(xiàn)跌倒過(guò)程中的加速度變化有4個(gè)主要特征，這可以作為跌倒檢測(cè)的準(zhǔn)則。這4個(gè)特征在圖6中以紅色的方框標(biāo)注，下面將對(duì)其逐一進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　圖6 意外跌倒過(guò)程中的加速度變化曲線

　　失重：在跌倒的開始都會(huì)發(fā)生一定的失重現(xiàn)象。在自由落體的下降過(guò)程，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)更加明顯，加速度的矢量和會(huì)降低到接近0g。對(duì)于一般的跌倒，也會(huì)發(fā)生合加速度小于1g的情況。因此，這可以作為跌倒?fàn)顟B(tài)的第一個(gè)判斷依據(jù)?？梢杂葾DXL345的Free_Fall中斷來(lái)檢測(cè)。

　　撞擊：失重之后，人體發(fā)生跌倒的時(shí)候會(huì)與地面或其他物體發(fā)生撞擊，在加速度曲線中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊。這個(gè)沖擊可以通過(guò)ADXL345的Activity中斷來(lái)檢測(cè)。因此，F(xiàn)ree_Fall中斷之后，緊接著產(chǎn)生Activity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第二個(gè)判斷依據(jù)。

　　靜止：人體在跌倒后，也就是撞擊發(fā)生之后，不可能馬上起來(lái)，會(huì)有短暫的靜止?fàn)顟B(tài)（如果人因?yàn)榈苟鴮?dǎo)致昏迷，甚至可能是較長(zhǎng)時(shí)間的靜止）。表現(xiàn)在加速度曲線上就是會(huì)有一段時(shí)間的平穩(wěn)。這可以通過(guò)ADXL345的Inactivity中斷來(lái)檢測(cè)。因此，Activity中斷之后的Inactivity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第三個(gè)判斷依據(jù)。

　　與初始狀態(tài)比較：跌倒之后，人體會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因此人體的方向會(huì)與原先靜止站立的姿態(tài)不同。這使得跌倒之后的靜止?fàn)顟B(tài)下的三軸加速度數(shù)值與初始狀態(tài)下的不同，如圖5所示。因此，跌倒檢測(cè)的第四個(gè)依據(jù)就是跌倒后的靜止?fàn)顟B(tài)下加速度值與初始狀態(tài)發(fā)生變化，且矢量變化超過(guò)一定的門限值。

　　這四個(gè)判斷依據(jù)綜合在一起，構(gòu)成了整個(gè)的跌倒檢測(cè)算法，可以對(duì)跌倒?fàn)顟B(tài)給出報(bào)警。

　　另外，如果跌倒造成了嚴(yán)重的后果，比如，導(dǎo)致了人的昏迷。那么人體會(huì)在更常的一段時(shí)間內(nèi)都保持靜止。這個(gè)狀態(tài)仍然可以通過(guò)Inactivity中斷來(lái)檢測(cè)。也就是說(shuō)，如果發(fā)現(xiàn)在跌倒之后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都保持Inactivity狀態(tài)，可以再次給出一個(gè)嚴(yán)重報(bào)警。算法的流程圖如圖7所示。

　　圖7 算法流程圖

　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)向前跌倒，向后跌倒，向左、右兩側(cè)跌倒等不同跌倒姿勢(shì)以及跌倒后是否有長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)的情況分別進(jìn)行了10次測(cè)試，表1中給出的是相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

　　表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本設(shè)計(jì)將加速度傳感器ADXL345、GPS和GSM模塊SIM908與Arduino Uno平臺(tái)結(jié)合在一起，通過(guò)加速度傳感器采集人體三軸加速度值，實(shí)時(shí)檢測(cè)人體體態(tài)，完成對(duì)人體跌倒的檢測(cè)和報(bào)警。整體設(shè)計(jì)成本低、可靠性高、算法復(fù)雜度低、檢測(cè)準(zhǔn)確度高和可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用性，可以滿足對(duì)人體跌倒檢測(cè)報(bào)警的需要。