使用 MEMS 傳感器的跌倒檢測系統

晚年仍獨立生活的老年人往往會(huì )有一個(gè)擔憂(yōu)：如果出現突發(fā)情況，我還能打電話(huà)求助嗎？ 穿戴式家庭緊急呼叫系統能讓您更加安心。該系統的一個(gè)重要組成部分是跌倒檢測。通過(guò)加入合適的傳感器可以輕松將該功能集成到相應的設備中。

微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）運動(dòng)傳感器無(wú)處不在，從智能手機到汽車(chē)安全系統都能看到它的身影，在不同的設備中的功能也有所差異。MEMS 產(chǎn)生的信號必須經(jīng)過(guò)解析才能夠被電路使用。

跌倒檢測系統的工作原理

家庭緊急呼叫系統中的跌倒檢測傳感器能夠自動(dòng)檢測人跌倒并靜止不動(dòng)。背景：為方便討論，假設緊急呼叫者不能手動(dòng)觸發(fā)緊急呼叫開(kāi)關(guān)，必須自動(dòng)發(fā)出緊急呼叫。三軸加速度傳感器如何檢測跌倒？ 在物理術(shù)語(yǔ)中，跌倒意味著(zhù)短暫失重，即測量到大約 0 g 的加速度，然后出現較高的負加速度（急劇減速）。如果在一段時(shí)間內沒(méi)有測量到加速度有變化，那么意味著(zhù)穿戴著(zhù)傳感器的人靜止不動(dòng)。

要開(kāi)發(fā)跌倒檢測系統，必須正確解析MEMS 所產(chǎn)生的脈沖。另一個(gè)挑戰是必須獲得非常準確的值。因此，必須補償諸如溫度波動(dòng)之類(lèi)的干擾所帶來(lái)的影響?？傊?，在開(kāi)發(fā)跌倒檢測算法功能之前，必須付出大量努力。幸運的是，如今的傳感器模塊對開(kāi)發(fā)人員非常友好。

預設功能

伍爾特電子遵循“智能”元器件這一最新理念，在傳感器中集成了部分“智能”功能。3 軸加速度傳感器 WSEN-ITDS 的尺寸僅為 2.0 × 2.0 × 0.7 mm，LGA 封裝，采用了基于電容測量原理的 MEMS技術(shù)。它集成了溫度傳感器，輸出的數據都是經(jīng)過(guò)補償和校準的。它有四種測量范圍可供選擇：±2 g、±4 g、±8 g 和 ±16 g?？梢酝ㄟ^(guò)寄存器設置選擇自由落體、喚醒、活動(dòng)、運動(dòng)和方向檢測等特定功能。特定功能的狀態(tài)可以通過(guò)兩個(gè)可編程中斷引腳獲知。這種面向應用的測量值處理和輸出能夠大幅簡(jiǎn)化應用開(kāi)發(fā)過(guò)程。

跌倒檢測也是這種情況。由于內置了預設功能和可選參數，開(kāi)發(fā)人員可以輕松實(shí)現跌倒檢測功能。該傳感器的一大優(yōu)勢是內置功能可以最大程度減少不間斷但不必要的傳感器加速度數據傳輸，以及對這些數據進(jìn)行復雜的運算。

優(yōu)勢

3 軸加速度傳感器 WSEN-ITDS 有兩個(gè)可編程中斷引腳 INT_0 和 INT_1。這兩個(gè)引腳可以單獨激活或停用。來(lái)自傳感器功能的中斷信號會(huì )傳輸到這兩個(gè)引腳。

圖1 傳感器功能框圖（圖片來(lái)源：伍爾特電子）

如圖中紅色部分所示（圖 1），跌倒檢測需要三個(gè)功能：“自由落體”、“喚醒”和“靜止/運動(dòng)”。通過(guò)結合使用這些傳感器功能就可以確定佩戴者是否跌倒和之后是否可以移動(dòng)等可靠信息。傳感器將這些事件產(chǎn)生的中斷信號送到引腳 INT_0 和 INT_1，以通知監控系統發(fā)出警報。

設置閾值

在自由落體時(shí)，所有三個(gè)軸的加速度值都會(huì )趨近于零。在傳感器模塊的寄存器中，必須定義針對特定應用的兩個(gè)值，在這兩個(gè)值同時(shí)發(fā)生時(shí)生成報告跌倒的中斷：自由落體時(shí)的閾值，以及自由落體的持續時(shí)間。為了使用傳感器數據來(lái)解析跌倒事件，還必須定義傳感器喚醒條件，通過(guò)設置加速度改變的閾值和該脈沖的最短持續時(shí)間。為了在偵測出現喚醒事件時(shí)排除重力矢量和極低頻噪聲的影響，應使用高通濾波器輸出。

集成的“靜止/運動(dòng)”算法功能會(huì )通知警報系統傳感器佩戴者在跌倒后是否保持不動(dòng)或仍然能夠行動(dòng)。靜止功能結合了兩個(gè)檢測事件：“睡眠”和“喚醒”，以記錄靜止事件。傳感器沒(méi)有單獨的睡眠中斷信號。它是通過(guò)監控睡眠和喚醒中斷信號來(lái)實(shí)現的。用戶(hù)可以根據應用來(lái)定義喚醒閾值和持續時(shí)間等參數。如果 X 軸、Y 軸和 Z 軸輸出的加速度值小于喚醒閾值并且輸出值在指定的持續時(shí)間保持在此范圍內時(shí)，將生成睡眠中斷信號。如果來(lái)自任一軸的數據值高于定義的喚醒閾值，并且數據在此范圍內保持一段時(shí)間，則會(huì )生成喚醒中斷信號。圖 2 展示的是控制跌倒檢測應用的中斷的生成過(guò)程。

圖2 通過(guò)喚醒和睡眠閾值進(jìn)行無(wú)運動(dòng)檢測（圖片來(lái)源：伍爾特電子）

這四個(gè)階段如下：

1. 在跌倒之前，來(lái)自三個(gè)軸的加速度值的矢量總和接近 1 g。通過(guò)同時(shí)監測跌倒前后加速度的方向，可以獲得跌倒事件的更多信息。

2. 在自由落體條件下，失重總是發(fā)生在跌倒開(kāi)始時(shí)。通過(guò)定義適當的自由落體持續時(shí)間和閾值，可以通過(guò)中斷信號 FF_IA 檢測到跌倒。在自由落體過(guò)程中，加速度趨向于 0 g，但在自由落體之后，人會(huì )撞擊到地面，出現較高的加速度峰值。

3. 跌倒后，佩戴者會(huì )立即嘗試移動(dòng)。如果跌倒太嚴重，可能在跌倒后無(wú)法立即移動(dòng)。此事件的持續時(shí)間可以通過(guò)靜止檢測功能進(jìn)行配置。

4. 如果人在一定時(shí)間后（在靜止功能中配置）因失去知覺(jué)而無(wú)法移動(dòng)，則生成中斷信號SLEEP_STATE_IA 和 SLEEP_CHANGE_IA。通過(guò)比較跌倒前后傳感器加速度的方向指示跌倒檢測系統產(chǎn)生警報。如果人在一定時(shí)間內移動(dòng)，則生成喚醒信號 WU_IA，而不生成SLEEP_STATE_IA 和SLEEP_CHANGE_IA 中斷信號。在這種情況下，跌倒檢測系統不會(huì )生成自動(dòng)警報。

結論

如本文所述，伍爾特電子 WSEN-ITDS 等傳感器模塊能夠大幅減少開(kāi)發(fā)人員的工作量，開(kāi)發(fā)跌倒檢測系統的電子設備和軟件也變得更加輕松。節能傳感器模塊會(huì )在出現定義的加速事件時(shí)自行喚醒，對電池供電系統的能耗和使用壽命也有積極影響。

作者：伍爾特電子傳感器元器件產(chǎn)品經(jīng)理 Vinod Kumar Ramu.

圖3 傳感器模塊 WSEN-ITDS（圖片來(lái)源：伍爾特電子）