老齡化社會(huì )催生的跌倒檢測報警系統設計

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。