基于MMA7260QT三軸加速度傳感器的跌倒探測儀的研制

　　事務(wù)處理及狀態(tài)機
　　根據跌倒探測器的設計需求，系統要同時(shí)具備計步器、跌倒檢測、報警處理、系統設置和無(wú)線(xiàn)通信控制等功能。

　　事務(wù)處理的方法借鑒操作系統中的線(xiàn)程概念。首先將每項事務(wù)執行的操作明確，確定每種操作的優(yōu)先級、相互關(guān)系和對資源的要求，然后在主循環(huán)中設置各種操作的啟動(dòng)機制，從總體上看，這些事物在主循環(huán)中并行地得到實(shí)現。跌倒探測器事務(wù)處理的調用關(guān)系如圖6所示。

　　針對某些項事務(wù)處理的實(shí)現，在軟件設計中采用了狀態(tài)機的方法以確保整個(gè)任務(wù)能夠順暢而正確地得以實(shí)現。

　　系統設置
　　系統設置主要完成一些初始化操作和需要使用者進(jìn)行確認的系統信息的設定操作。
系統初始化工作主要由MCU完成，包括各種配置寄存器的設置、液晶初始化指令和存儲緩沖區的設置，初始化工作將保證系統各功能組件能夠在上電后正常啟動(dòng)。

　　MCU初始化--MCU_Init( )：
　　通過(guò)設置相應的控制寄存器實(shí)現MCU的啟動(dòng)和對各功能外設（Peripheral）的管理：
時(shí)鐘：MCU工作采用內部時(shí)鐘，通過(guò)設置ICS控制寄存器實(shí)現；

端口：根據系統端口分配方案，結合相關(guān)外設--I2C、SCI的控制寄存器實(shí)現；
I2C控制器：傳輸速率、地址選擇設定；
SCI控制器：波特率設置。

　　液晶初始化--LCD_Init( )：
　　通過(guò)指令初始化液晶驅動(dòng)控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。

　　存儲緩沖區初始化--RT_Data、 Word_Base[ ]：
　　MC9S08QG8內部集成了512字節的RAM滿(mǎn)足程序運行所需。而在跌倒探測器運行過(guò)程中，MCU持續采集加速度傳感器的數據，并進(jìn)行處理，因此要為數據分析預先開(kāi)辟好緩存區。同樣，在利用CDMA發(fā)布報警信息時(shí)，報警信息文字內容需要在進(jìn)行軟件設計時(shí)預先設定好，并在需要使用時(shí)通過(guò)指針調用。

　　需要使用者進(jìn)行確認的系統信息的設定，是指跌倒探測器報警信息的接收方可以根據實(shí)際情況由使用者進(jìn)行設定，例如親屬的移動(dòng)電話(huà)或急救中心的固定座機（要求能夠接收短信）。使用者可以通過(guò)按鍵配合液晶，輸入接收方的號碼即可，必要時(shí)使用者也可以對接收方號碼進(jìn)行修改。

　　按鍵功能
　　按鍵功能在軟件設計中單獨提出是因為本系統受限于MCU端口數量，無(wú)法按照預先設計的人機交互需求安排足夠端口作為鍵盤(pán)掃描之用。本設計中最終確定使用2個(gè)按鍵，按鍵的功能設定及使用方法設計如下。

　　"Alam"鍵(啟動(dòng)報警接收方號碼輸入、手動(dòng)報警)：
　　跌倒探測器一般工作模式下，長(cháng)按（超過(guò)2秒）"Alam"鍵，啟動(dòng)報警信息發(fā)布功能，適用于除跌　　倒情況外其他緊急情況；
　　跌倒探測器一般工作模式下，按"Alam"鍵，跌倒探測器進(jìn)入設置報警接收方號碼狀態(tài)，配合"Alter"鍵實(shí)現號碼輸入；
　　跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時(shí)，按"Alam"鍵，直接發(fā)布報警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；
　　"Alter"鍵(計步器啟動(dòng)、暫停、清零、取消報警、設置報警接收方號碼)：
　　跌倒探測器一般工作模式下，按"Alter"鍵在計步器啟動(dòng)、暫停和清零三項功能之間切換；
　　跌倒探測器進(jìn)入報警接收方號碼輸入狀態(tài)時(shí)，"Alter"鍵執行液晶顯示的數字加1的操作，數字從0-9循環(huán)；
　　跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時(shí)，按"Alter"鍵取消報警，然后關(guān)閉蜂鳴器。

　　計步器
　　MCU始終在分析佩戴者身體姿態(tài)的信息，因此可以將佩戴者的行走動(dòng)作分析作為一項附屬結果輸出，從而使跌倒探測器還具有了計步器的功能。

　　參考圖1，在理想狀態(tài)下的步行過(guò)程中，X軸和Z軸都應該能夠檢測到加速度的周期性變化--X軸由前進(jìn)的動(dòng)作引起，Z軸由身體的上下起伏引起，這種周期性的變化可以為步行動(dòng)作的分析提供依據。由于在實(shí)際使用過(guò)程中，身體隨邁步動(dòng)作產(chǎn)生相應的晃動(dòng)同樣會(huì )引起加速度傳感器在三個(gè)正交坐標軸方向上的輸出，因此在設計檢測算法時(shí)應設定合適的加速度閾值。只有超過(guò)一定幅度的輸出才被看作是由于邁步動(dòng)作所引起，避免由于正常的身體晃動(dòng)引入的各種偽差。計步器實(shí)現的軟件流程如圖7。

 　　跌倒檢測
　　危險的或者可能已產(chǎn)生較嚴重后果的跌倒發(fā)生后，人體通常處于水平狀態(tài)，因此對于這種類(lèi)型的跌倒，要求跌倒探測器都能夠檢測到并實(shí)施報警處理機制。而對于其他較為復雜的跌倒過(guò)程，則需要通過(guò)報警機制的配合，實(shí)現對跌倒探測及危險報警的準確觸發(fā)。跌倒檢測的算法狀態(tài)機如圖8所示，

　　跌倒檢測算法描述如下：

　　1)主循環(huán)等待，監測Z軸加速度變化，如果超過(guò)閾值，進(jìn)入下一步；
　　2)等待加速度恢復到正常范圍內，進(jìn)入下一步；
　　3)再設置延時(shí)10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩定；
　　4)數據分析，如果發(fā)現佩戴者身體水平，認為發(fā)生跌倒狀況，觸發(fā)報警處理。

　　報警處理
　　在本設計中，采用跌倒檢測算法和多種報警模式相結合的方式。跌倒探測器檢測到跌倒發(fā)生時(shí)，系統必須能夠準確無(wú)誤地將報警信息發(fā)布出去，才能保證跌倒者獲得救助。跌倒包含很多種類(lèi)型，有些情況下，檢測到的"跌倒"是有意識的行為--或者根本不是跌倒--假陽(yáng)性；另外，有時(shí)跌倒者仍然還保持一定的行動(dòng)能力，為了盡快得到救助，自身可以采取一定的行動(dòng)；還有一種情況，跌倒造成比較嚴重的后果，跌倒者已無(wú)法行動(dòng)。

　　針對上面提到的幾種情況，報警處理的軟件設計將加以區分對待：

　　檢測到跌倒后，系統啟動(dòng)30S的倒計時(shí)器，并打開(kāi)蜂鳴器，每3S響一次，如果沒(méi)有接收到任何輸入，30S結束后，系統自動(dòng)發(fā)布報警信息；

　　進(jìn)入30S倒計時(shí)后，蜂鳴器"beep"，系統可以響應用戶(hù)輸入，跌倒探測器的兩個(gè)按鍵分別設置為"手動(dòng)報警"和"取消（報警）"的功能，如果用戶(hù)按"手動(dòng)報警"鍵，系統發(fā)布報警信息；

　　如果用戶(hù)按"取消"鍵，系統關(guān)閉30S倒計時(shí)和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計步器和跌倒檢測狀態(tài)。

　　通信控制

　　報警信息通過(guò)CDMA短信的方式發(fā)送給接收方，跌倒探測器采用DTGS-800b型CDMA模塊，通信控制就是使其能夠正常工作的一段例程。DTGS-800b型CDMA模塊提供RS232接口，MCU可以根據需要通過(guò)AT命令實(shí)施對通信過(guò)程的控制。具體通信例程根據設計需求應包括如下內容：

啟動(dòng)CDMA模塊--Comm_Start( )；
啟動(dòng)GpsOne?服務(wù)--Gps_Start( )；
獲得GPS空間定位信息--Gps_Position( )；
發(fā)送短信息報警--Send_SMS( )。
由于通信例程涉及的狀態(tài)不多，基本是按照上面的順序進(jìn)行，因而程序結構比較簡(jiǎn)單，這里就不再贅述。

結論

　　按照上述方案設計完成的跌倒探測器樣機線(xiàn)路板如圖9所示，左圖為帶有CDMA模塊線(xiàn)路，右圖為不帶CDMA模塊線(xiàn)路，可見(jiàn)其下方是讀SIM卡電路。上電后，該線(xiàn)路板各功能模塊工作正常，能夠完成加速度采集、EEPROM數據存儲和跌倒報警短信發(fā)送（包括自動(dòng)、手動(dòng)和取消模式），按鍵液晶均能夠正常