老齡化社會(huì )催生的跌倒檢測報警系統的設計

　　隨著(zhù)人類(lèi)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。目前，我國已經(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。老年人因生理結構衰老和身體機能減退，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(méi)有得到及時(shí)的救治造成的［3］。尤其現在社會(huì )上存在很多訛詐現象，導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，并發(fā)出求救信號進(jìn)行及時(shí)救治變得格外重要。為了老年人更健康地生活，研究設計一個(gè)老年人的跌倒檢測與報警系統具有十分重要的研究?jì)r(jià)值和實(shí)際意義。

　　目前，研究開(kāi)發(fā)人體跌倒檢測系統方面的技術(shù)有很多種，最常見(jiàn)的是圖像分析和加速度分析法。文獻［4-6］都是基于視頻圖像分析的室內跌倒自動(dòng)檢測系統，這種技術(shù)準確性高，人體動(dòng)作清晰可見(jiàn)，但需要多部攝像機同時(shí)工作，且暴露了用戶(hù)的個(gè)人隱私，監測范圍有限，受環(huán)境的影響也很大。另一種加速度分析方法，主要基于微機電系統（Micro-Electromechanical System，MEMS）傳感器。MEMS技術(shù)近幾年得到了快速發(fā)展，廣泛應用在跌倒檢測、狀態(tài)檢測、運動(dòng)檢測等方面。文獻［7-9］都是利用MEMS技術(shù)進(jìn)行人體跌倒檢測的，目前國內一些基于MEMS技術(shù)的跌到檢測雖可較好實(shí)現跌倒檢測，但大多計算量較大、設計復雜、價(jià)格昂貴，難以得到廣泛的應用。

　　設計一種基于Arduino和三軸加速度傳感器的跌倒檢測報警系統，實(shí)時(shí)采集人體加速度參數和地理位置信息，應用于老年人意外跌倒后及時(shí)報警，兼具了性?xún)r(jià)比高、設計簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高、低功耗、可擴展的特點(diǎn)，實(shí)驗證明了該系統的可行性和準確性。

　　1 系統總體設計

　　跌倒檢測報警系統由Arduino最小系統、加速度參數采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊組成，其系統框圖如圖1所示。

　　圖1 跌倒檢測報警系統框圖

　　Arduino 實(shí)時(shí)接收加速度參數采集模塊傳來(lái)的人體加速度參數值，單片機通過(guò)接收來(lái)的加速度值，經(jīng)過(guò)跌倒檢測算法來(lái)判斷穿戴者的體態(tài)，如果檢測出跌倒的發(fā)生，便觸發(fā)跌倒報警機制。當跌倒發(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警求救信息，通知佩戴者的監護人或醫療機構，進(jìn)行后續的救治。本系統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采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，來(lái)完成整個(gè)系統的功能。

　　2 硬件設計

　　硬件部分主要包括微控制器最小系統的選取、加速度參數采集模塊、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

　　Arduino 是一款基于開(kāi)源的電子原型設計平臺。Arduino包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路設計的電路板，基于A(yíng)VR系列單片機和ARM微控制器，有豐富的外設接口和硬件資源；軟件部分則是Arduino IDE，是在計算機中的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境［10］。Arduino的模塊化設計，大大簡(jiǎn)化了電子系統的設計過(guò)程。

　　其中，微控制器最小系統選用 Arduino Uno，它是基于A(yíng)TMEL公司的ATmega328P單片機的硬件平臺，具有32KB Flash、1KB EEPROM、14路數字輸入輸出口（其中6路可用于PWM輸出）、6路模擬輸入接口。同時(shí)，Uno預置了Bootloader程序，不需要其他外部燒寫(xiě)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、數字輸出加速度傳感器。ADXL345具有多種可變的測量范圍，高分辨率，高靈敏度，超小的封裝，超低的功耗，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［11］。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。圖2為ADXL345功能框圖。

　　圖2 ADXL345功能框圖

　　ADXL345 標準的I2C數字接口可以和Arduino Uno的I2C接口方便通信，將ADXL345采集到的人體三軸加速度數據傳給單片機進(jìn)行跌倒檢測算法處理，圖3給出了ADXL345和單片機之間的 I2C總線(xiàn)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(xiàn)的數據線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)，分別連接到Arduino Uno相應的I2C總線(xiàn)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。

　　圖3 ADXL345和單片機之間的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)送報警信號的任務(wù)。在SIM908芯片上可以同時(shí)完成GPS定位和GSM通信功能，可以大大減少系統芯片的數量和功耗。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數據的捕獲和發(fā)送GSM報警短信功能。

　　圖4 SIM908功能框圖

　　3算法設計與實(shí)驗

　　3.1 跌倒檢測算法

　　對跌倒檢測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動(dòng)過(guò)程中的變化曲線(xiàn)，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(xiàn)是Y軸（垂直方向）的加速度曲線(xiàn)，其正常靜止狀態(tài)下應該為-1g；黑色和黃色的曲線(xiàn)分別是X軸（前后方向）和Z軸（左右方向）的加速度曲線(xiàn)，其正常靜止狀態(tài)下應該為0g；綠色的曲線(xiàn)是三軸加速度的矢量和，其正常靜止狀態(tài)下應該為+1g。

　　圖5 不同運動(dòng)過(guò)程中的加速度變化曲線(xiàn)

　　由于老年人的運動(dòng)相對比較慢，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(xiàn)。通過(guò)圖6和圖5 的比較，可以發(fā)現跌倒過(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的準則。這4個(gè)特征在圖6中以紅色的方框標注，下面將對其逐一進(jìn)行詳細介紹。

　　圖6 意外跌倒過(guò)程中的加速度變化曲線(xiàn)

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

　　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(xiàn)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。因此，Free_Fall中斷之后，緊接著(zhù)產(chǎn)生Activity中斷是跌倒狀態(tài)的第二個(gè)判斷依據。

　　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 )有短暫的靜止狀態(tài)（如果人因為跌倒而導致昏迷，甚至可能是較長(cháng)時(shí)間的靜止）。表現在加速度曲線(xiàn)上就是會(huì )有一段時(shí)間的平穩。這可以通過(guò)ADXL345的Inactivity中斷來(lái)檢測。因此，Activity中斷之后的Inactivity中斷是跌倒狀態(tài)的第三個(gè)判斷依據。

　　與初始狀態(tài)比較：跌倒之后，人體會(huì )發(fā)生翻轉，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狀態(tài)下的三軸加速度數值與初始狀態(tài)下的不同，如圖5所示。因此，跌倒檢測的第四個(gè)依據就是跌倒后的靜止狀態(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(mén)限值。

　　這四個(gè)判斷依據綜合在一起，構成了整個(gè)的跌倒檢測算法，可以對跌倒狀態(tài)給出報警。

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

　　圖7 算法流程圖

　　3.2 實(shí)驗結果

　　本文設計了一個(gè)實(shí)驗方案對算法進(jìn)行驗證。實(shí)驗對向前跌倒，向后跌倒，向左、右兩側跌倒等不同跌倒姿勢以及跌倒后是否有長(cháng)時(shí)間靜止狀態(tài)的情況分別進(jìn)行了10次測試，表1中給出的是相關(guān)測試結果。

　　表1 實(shí)驗結果

　　本設計將加速度傳感器ADXL345、GPS和GSM模塊SIM908與Arduino Uno平臺結合在一起，通過(guò)加速度傳感器采集人體三軸加速度值，實(shí)時(shí)檢測人體體態(tài)，完成對人體跌倒的檢測和報警。整體設計成本低、可靠性高、算法復雜度低、檢測準確度高和可擴展的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用性，可以滿(mǎn)足對人體跌倒檢測報警的需要。