三軸加速度傳感器在跌倒檢測中的應用

前言
人們在跌倒后會(huì )面臨雙重危險。顯而易見(jiàn)的是跌倒本身可能對人體產(chǎn)生傷害；另外，如果跌倒后不能得到及時(shí)的救助，可能會(huì )使結果更加惡化。例如，許多老年人由于其身體比較虛弱，自理能力和自我保護能力下降，常常會(huì )發(fā)生意外跌倒，如果得不到及時(shí)的救助，這種跌倒可能會(huì )導致非常嚴重的后果。有資料顯示，很多嚴重的后果并不是由于跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及時(shí)的處理和救護。當出現跌倒情況時(shí)，如果能夠及時(shí)地通知到救助人員，將會(huì )大大地減輕由于跌倒而造成的危害。

不僅是對老人，在很多其他情況下，跌倒的報警也是非常有幫助的，尤其是從比較高的地方跌倒下來(lái)的時(shí)候。比如人們在登山，建筑，擦窗戶(hù)，刷油漆和修理屋頂的時(shí)候。

這促使人們越來(lái)越熱衷于對跌倒檢測以及跌倒預報儀器的研制。近年來(lái)，隨著(zhù)iMEMS®加速度傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得設計基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測器成為可能。這種跌倒檢測器的基本原理是通過(guò)測量佩戴該儀器的個(gè)體在運動(dòng)過(guò)程中的三個(gè)正交方向的加速度變化來(lái)感知其身體姿態(tài)的變化，并通過(guò)算法分析判斷該個(gè)體是否發(fā)生跌倒情況。當個(gè)體發(fā)生跌倒時(shí)，儀器能夠配合GPS模塊以及無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊對這一情況進(jìn)行定位及報警，以便獲得相應的救助。而跌倒檢測器的核心部分就是判斷跌倒情況是否發(fā)生的檢測原理及算法。

ADXL3451是ADI公司的一款3軸、數字輸出的加速度傳感器。本文將在研究跌倒檢測原理的基礎上，提出一種基于A(yíng)DXL345的新型跌倒檢測解決方案。

iMEMS加速度傳感器ADXL345
iMEMS 半導體技術(shù)把微型機械結構與電子電路集成在同一顆芯片上。iMEMS加速度傳感器就是利用這種技術(shù)，實(shí)現對單軸、雙軸甚至三軸加速度進(jìn)行測量并產(chǎn)生模擬或數字輸出的傳感器。根據不同的應用，加速度傳感器的測量范圍從幾g到幾十g不等。數字輸出的加速度傳感器還會(huì )集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶(hù)提供更加方便靈活的解決方案。

ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數字輸出加速度傳感器。ADXL345具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可變的測量范圍；最高13bit分辨率；固定的4mg/LSB靈敏度；3mm*5mm*1mm超小封裝；40-145uA超低功耗；標準的I2C或SPI數字接口；32級FIFO存儲；以及內部多種運動(dòng)狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡(jiǎn)化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測器應用的加速度傳感器。

本文給出的跌倒檢測解決方案，完全基于A(yíng)DXL345內部的運動(dòng)狀態(tài)檢測功能和中斷功能，甚至不需要對加速度的具體數值進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和復雜的計算操作，可以使算法的復雜度降至最低。

中斷系統
圖1給出了ADXL345的系統框圖及管腳定義。

圖1 ADXL345系統框圖及管腳定義

ADXL345具有兩個(gè)可編程的中斷管腳：Int1和Int2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共計8個(gè)中斷源。每個(gè)中斷源可以獨立地使能或禁用，還可以靈活地選擇是否映射到Int1或Int2中斷管腳。所有的功能都可以同時(shí)使用，只是某些功能可能需要共用中斷管腳。中斷功能通過(guò)INT_ENABLE寄存器的相應位來(lái)選擇使能或禁用，通過(guò)INT_MAP寄存器的相應位來(lái)選擇映射到Int1管腳或Int2管腳。中斷功能的具體定義如下：

1. Data_Ready 當有新的數據產(chǎn)生時(shí)，Data_Ready中斷置位；當沒(méi)有新的數據時(shí)，Data_Ready中斷清除。

2. Single_Tap 當加速度值超過(guò)一定門(mén)限（THRESH_TAP）并且持續時(shí)間小于一定時(shí)間范圍（DUR）的時(shí)候，Single_Tap中斷置位。

3. Double_Tap 當第一次Single_Tap事件發(fā)生后，在一定時(shí)間（LATENT）之后，并在一定時(shí)間（WINDOW）之內，又發(fā)生第二次Single_Tap事件時(shí)，Double _Tap中斷置位。

圖2給出了有效的Single_Tap中斷和Double _Tap中斷的示意圖。

圖2 Single_Tap和Double _Tap中斷示意

4. Activity 當加速度值超過(guò)一定門(mén)限（THRESH_ACT）時(shí)，Activity中斷置位。

5. Inactivity 當加速度值低于一定門(mén)限（THRESH_INACT）并且持續超過(guò)一定時(shí)間（TIME_INACT）時(shí)，Inactivity中斷置位。TIME_INACT可以設定的最長(cháng)時(shí)間為255s。

需要指出的是，對于A(yíng)ctivity和Inactivity中斷，用戶(hù)可以針對X、Y、Z軸來(lái)分別進(jìn)行使能或禁用。比如，可以只使能X軸的Activity中斷，而禁用Y軸和Z軸的Activity中斷。

另外，對于A(yíng)ctivity和Inactivity中斷，用戶(hù)還可以自由選擇DC coupled工作方式或者AC coupled工作方式。其區別在于，DC coupled工作方式下，每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值將直接與門(mén)限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否發(fā)生中斷；而AC coupled工作方式下，新的采樣點(diǎn)將以之前的某個(gè)采樣點(diǎn)為參考，用兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值與門(mén)限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否發(fā)生中斷。AC coupled工作方式下的Activity檢測，是選擇檢測開(kāi)始時(shí)的那一個(gè)采樣點(diǎn)作為參考，以后每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值都與參考點(diǎn)進(jìn)行比較。如果它們的差值超過(guò)門(mén)限（THRESH_ACT），則Activity中斷置位。AC coupled工作方式下的Inctivity檢測，同樣要選擇一個(gè)參考點(diǎn)。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值超過(guò)門(mén)限（THRESH_INACT），參考點(diǎn)會(huì )被該采樣點(diǎn)更新。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值小于門(mén)限（THRESH_INACT），并且持續超過(guò)一定時(shí)間（TIME_INACT），則Inctivity置位。

6. Free_Fall 當加速度值低于一定門(mén)限（THRESH_FF）并且持續超過(guò)一定時(shí)間（TIME_FF）時(shí)，Free_Fall中斷置位。與Inactivity中斷的區別在于，Free_Fall中斷主要用于對自由落體運動(dòng)的檢測。因此， X、Y、Z軸總是同時(shí)被使能或禁用；其時(shí)間設定也比Inactivity中斷中要小很多，TIME_FF可以設定的最大值為1.28s；而且Free_Fall中斷只能是DC coupled工作方式。