基于多傳感器的老人跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………………………1</p><p>　　關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………1</p><p>　　Abstract………………………………………………………………………………1</p&g

2、t;<p>　　Key words……………………………………………………………………………1</p><p>　　1 緒論 …………………………………………………………………………………………2</p><p>　　1.1課題背景 …………………………………………………………………………………2</p><p>　　1.2 課題研究目的 ………………

3、……………………………………………………………2</p><p>　　1.3 國內(nèi)外關(guān)于該課題的研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………2</p><p>　　2 跌倒檢測系統(tǒng)的硬件組成及相關(guān)技術(shù) ……………………………………………………3</p><p>　　2.1老人跌倒檢測系統(tǒng)硬件整體設(shè)計………………………………………………………3</p&

4、gt;<p>　　2.2數(shù)據(jù)采集模塊……………………………………………………………………………3</p><p>　　2.2.1 MPU6050模塊…………………………………………………………………………3</p><p>　　2.2.2 MS5611模塊……………………………………………………………………………4</p><p>　　2.3微處理器模

5、塊……………………………………………………………………………5</p><p>　　2.4定位報警模塊……………………………………………………………………………6</p><p>　　2.4.1 GPS定位技術(shù)及GSM通信技術(shù)簡介……………………………………………………6</p><p>　　2.4.2 SIM908模塊……………………………………………………………

6、………………6</p><p>　　3 跌倒檢測系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計……………………………………………………………8</p><p>　　3.1跌倒檢測實(shí)現(xiàn)……………………………………………………………………………8</p><p>　　3.1.1人體坐標(biāo)系……………………………………………………………………………8</p><p>　　3.1

7、.2加速度SVM閾值算法…………………………………………………………………8</p><p>　　3.1.3加速度數(shù)據(jù)的采集與分析……………………………………………………………8</p><p>　　3.1.4海拔高度數(shù)據(jù)的采集與分析…………………………………………………………9</p><p>　　3.1.5跌倒檢測算法…………………………………………………………

8、………………9</p><p>　　3.2 GPS定位功能………………………………………………………………………10</p><p>　　3.2.1 AT指令………………………………………………………………………………10</p><p>　　3.2.2 GPS數(shù)據(jù)解析…………………………………………………………………………11</p><p&g

9、t;　　3.3系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)………………………………………………………………………11</p><p>　　4總結(jié)…………………………………………………………………………………………12</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………………13</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………

10、………………13</p><p>　　基于多傳感器的老人跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　隨著我國進(jìn)入老齡社會，越來越多的多的老人不得不獨(dú)自生活。一旦發(fā)生意外情況，老人如果無法自救，并且在身邊沒有人幫助的情況下將會非常危險。其中當(dāng)屬跌倒帶來的威脅最大。為了減少跌倒后因發(fā)現(xiàn)不及時對老人身心所造成的巨

11、大傷害，本文提出了一套應(yīng)用多個傳感器來準(zhǔn)確檢測老人跌倒并及時報警的系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用飛思卡爾公司生產(chǎn)的 MK60DN512ZVLL10 微處理器作為控制核心，檢測傳感器有MPU6050六軸傳感器和MS5611氣壓傳感器，并通過SIM908模塊實(shí)現(xiàn)定位報警功能。MPU6050模塊用以采集身體加速度信息，MS5611模塊負(fù)責(zé)獲取當(dāng)前所處海拔高度的數(shù)據(jù)。在三軸加速度SMV閾值算法基礎(chǔ)上輔以海拔高度檢測，使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。</p>

12、<p>　　關(guān)鍵詞：跌倒 MPU6050 MS5611 SIM908 SVM閾值算法</p><p>　　Design of Elderly Fall Detection System Based on Multi-sensor</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　As our cou

13、ntry enters the aging society, more and more old people have to live alone. If an unexpected situation occurs, the old man cannot save himself, and it will be very dangerous if there is no help around him. Among them the

14、 threat of falls is the greatest. In order to reduce the damage to the elderly and the physical and mental injury caused by the loss of time, this paper proposes a set of sensors to accurately detect the old people fall

15、and timely alarm system. The system selects the MK</p><p>　　Key words: Fall； MPU6050； MS5611； SIM908； SMV threshold algorithm； </p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　

16、1.1課題背景</b></p><p>　　隨著各國經(jīng)濟(jì)和社會結(jié)構(gòu)的改變，人口老齡化問題已經(jīng)成為人類不得不面對的共同難題。據(jù)統(tǒng)計，我國15—59歲人口為92471萬人，占67.33%；60歲及以上人口為22182萬人，占16.15%，其中65歲及以上人口為14374萬人，占10.47%。同“全國第六次人口普查”相比，15—59歲人口比重下降2.81個百分點(diǎn)，60歲及以上人口比重上升2.89個百分點(diǎn)。預(yù)

17、計到2020年，老年人口達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%，其中80歲以上老年人口將達(dá)到3067萬人；2025年，六十歲以上人口將達(dá)到3億，成為超老年型國家。</p><p>　　同時，現(xiàn)在大量獨(dú)生子女在贍養(yǎng)老人方面所需承擔(dān)的責(zé)任，相比以往顯得更加沉重。為此年輕人外出工作以獲得更高的工資待遇，這已成為常態(tài)。隨之而來全國不斷涌出大量“空巢老人”。由于老年人身體各項機(jī)能在不斷的退化，使得跌倒在老年人群體中發(fā)生

18、的概率大大增大。據(jù)統(tǒng)計，我國每年有35%的65歲及以上老年人跌倒過。一旦跌倒老人很容易骨折使其無法活動，那些患有中風(fēng)、心腦血管疾病的老人的跌倒，很可能還會伴隨著昏迷。如果身邊沒有人及時發(fā)現(xiàn)送醫(yī)，必定會錯過最佳治療時間，造成病情惡化或者留下嚴(yán)重后遺癥，甚至導(dǎo)致死亡。跌倒已成為造成老人傷亡的最重要原因。</p><p><b>　　1.2課題研究目的</b></p><p&g

19、t;　　我們都很希望家里的老年人遠(yuǎn)離跌倒危險，但是不可能只允許他們躺著或者坐著以防止跌倒。身體沒有疾病傷痛固然重要，但我相信對老人來說心里的舒暢更加珍貴。在我國廣大農(nóng)村，多數(shù)青年都外出打工，留下父母來照看其子女。這些老人的精力幾乎都放在了照看孩子這件事情上，有些空閑還要去忙農(nóng)活，活動量很大。跌倒的風(fēng)險可想而知會很高。在城市里獨(dú)自居住的空巢老人數(shù)量巨大，他們活動強(qiáng)度看起來不是很大，但面對城市中錯綜復(fù)雜的交通網(wǎng)，馬路上川流不息的汽車，可能每

20、天還要上下樓梯，其實(shí)造成跌倒的因素也很多。面對當(dāng)前高昂的醫(yī)療費(fèi)用，重大傷病的治療肯定會對整個家庭造成沉重地經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，這無疑會對老人心理產(chǎn)生更大傷害。本文針對如何避免老人跌倒后不能及時自救，設(shè)計開發(fā)了一個通過多種傳感器采集實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過微控制器計算和分析后得到身體姿態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)有跌倒發(fā)生就會及時控制通信模塊向外界發(fā)送含位置信息的報警求救短信的系統(tǒng)。設(shè)計時在保證檢測準(zhǔn)確的前提下，又要考慮盡量小型化以便于攜帶，同時為了市場的需要又要控制

21、產(chǎn)品成本。該系統(tǒng)旨在降低跌倒對老人造成的身體及心理的傷害，延長老人壽命，并增強(qiáng)老人的安全感和幸福感。</p><p>　　1.3國內(nèi)外關(guān)于該課題的研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前國內(nèi)外關(guān)于跌倒檢測技術(shù)都進(jìn)行了很多的研究，提出的解決方法主要由以下三種：通過視頻檢測、通過音頻檢測，通過穿戴式傳感器檢測。其中使用視頻檢測方法是運(yùn)用在家里安裝的攝像頭獲取老人視頻圖像，在同數(shù)據(jù)庫中的歷史圖像進(jìn)行比

22、較分析，通過一些算法進(jìn)而判斷當(dāng)前老人身體姿態(tài)是否正常。當(dāng)前該方法還存在著一些問題，例如因攝像頭的安放相對固定，致使其有效監(jiān)測的區(qū)域十分有限當(dāng)，老人走出該區(qū)域時，則該系統(tǒng)起不到任何作用。另外要安裝一套跌倒視頻監(jiān)測系統(tǒng)，其價格還是比較高昂的，一般家庭還承受不起，現(xiàn)階段難以推廣。并且還會受到光線等因素的影響。</p><p>　　通過音頻檢測跌倒，利用了老人在跌倒瞬間產(chǎn)生的聲音信號，對其進(jìn)行分析來判斷是否跌倒。這種方法

23、最大的不足就是容易受到干擾。因?yàn)樵谖覀兩畹沫h(huán)境中可能會遇到各種噪音，這很容易就會導(dǎo)致音頻檢測系統(tǒng)的誤報。跌倒時發(fā)出的聲音會隨跌倒者身邊的環(huán)境的改變而改變，想要過濾掉所有噪聲精準(zhǔn)檢測這對系統(tǒng)的硬件與算法要求都非常高。</p><p>　　運(yùn)用可穿戴式裝置進(jìn)行跌倒檢測的方式，就是把一些小型檢測傳感器如加速度器、氣壓計嵌入到可穿戴裝置中，進(jìn)行對身體姿態(tài)的實(shí)時檢測，并通過微處理器對檢測數(shù)據(jù)分析計算得到結(jié)果，控制相應(yīng)的通

24、信模塊發(fā)出跌倒報警信息。這種方法幾乎不受地域空間的限制，幾乎在任何地方都可以很好的實(shí)時進(jìn)行跌倒檢測及報警。另外這種裝置攜帶方便，檢測準(zhǔn)確率高，造價也相對便宜，很有發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p><p>　　2 跌倒檢測系統(tǒng)的硬件組成及相關(guān)技術(shù)</p><p>　　2.1老人跌倒檢測系統(tǒng)硬件整體設(shè)計</p><p>　　該系統(tǒng)整體的功能結(jié)構(gòu)如圖2-1所示:</p>

25、<p>　　圖2-1系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　本跌倒檢測系統(tǒng)分別由微控制器MK60DN512ZVLL10、負(fù)責(zé)測量加速度的MPU6050模塊、用于海拔高度測量的MS5611模塊、用于GPS定位及短信報警的SIM908模塊、可充電鋰電池、穩(wěn)壓模塊等組成。將以上模塊整合到一塊pcb板上，使整個裝置盡量易于穿戴并且不影響使用者的正常生活?？紤]到盡量準(zhǔn)確的測量老人身體運(yùn)動姿態(tài)，建議使用者將該裝置穿

26、戴在其腰部。</p><p>　　由圖2-1可以清楚的看出，本系統(tǒng)以微控制器為核心，通過運(yùn)算處理加速度計、高度計所采集的數(shù)據(jù)，判斷是否老人發(fā)生跌倒，如果判定是跌倒則會啟動GPS定位跌倒發(fā)生位置并將位置信息及時通過短信的方式通知其家屬，同時啟動報警蜂鳴器向周邊人群求救。當(dāng)然，任何檢測設(shè)備都不可能做到萬無一失，所以我還為該設(shè)備設(shè)計了應(yīng)急按鍵，當(dāng)系統(tǒng)誤報時，在十秒之內(nèi)只要按一下取消報警按鍵便可以取消發(fā)送短信，并且停止蜂

27、鳴器鳴叫。只要按下報警按鍵，就算系統(tǒng)未檢測到跌倒也會啟動報警程序：響蜂鳴器同時向外界發(fā)送位置坐標(biāo)短信。</p><p><b>　　2.2數(shù)據(jù)采集模塊</b></p><p>　　本跌倒檢測系統(tǒng)需要準(zhǔn)確測量出老人實(shí)時運(yùn)動的加速度和身體重心高度變化信息，還要盡量輕巧，不能影響老人的正常生活。所以本系統(tǒng)選用了體積小、精度高的MPU6050六軸加速度模塊和MS5611氣壓傳

28、感器模塊。兩模塊內(nèi)部都整合了一個AD轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，且都集合了SPI和I2C總線接口。使得微處理器對兩傳感器信號的接收和處理更加方便。</p><p>　　2.2.1 MPU6050模塊</p><p>　　MPU6050模塊是InvenSense公司推出的一款低成本的6軸傳感器模塊，包括三軸加速度，三軸角速度。相比于分離式大陀螺儀傳感器和加速度傳感器，很大程度上

29、避免了因使用不同傳感器帶來的時間和空間的差距問題。其體積小巧，用途非常廣，在做平衡小車，四軸飛行器，飛行鼠標(biāo)等等，都是必不可少而且是最優(yōu)的傳感器解決方案。圖2.2為MPU6050模塊實(shí)物圖。</p><p>　　圖2.2 MPU6050實(shí)物圖</p><p>　　MPU6050擁有一個十六位的A/D轉(zhuǎn)換器，加速度的范圍包括±2g、±4g、±8g 和±

30、16g 多個可調(diào)范圍,陀螺儀范圍分為±250°/s、±500°/s、±1000°/s 和±2000°/s 多個可調(diào)范圍。芯片尺寸小，節(jié)約空間易于攜帶。模塊內(nèi)部還集成了穩(wěn)壓電路，對常見的3.3V/5.5V的嵌入式系統(tǒng)都能夠完美兼容，這給開發(fā)者帶來了極大大方便。模塊內(nèi)部還做了許多數(shù)字和硬件濾波處理，在很大程度上降低了噪聲，使加速度信息更精確。</p>

31、<p>　　圖2-3顯示了MPU6050的參考坐標(biāo)系以及對應(yīng)的3個測量軸和測量的旋轉(zhuǎn)方向。</p><p>　　圖2-3 MPU6050參考坐標(biāo)系圖</p><p>　　MPU6050檢測到的加速度數(shù)據(jù)可以通過其內(nèi)置的I2C總線接口傳輸。與微處理器相連接，此時微處理器為主設(shè)備，MPU6050為從設(shè)備。采用I2C通信最大傳輸速率為400KHZ。該模塊在使用時只需要接SDA（I2

32、C串行時鐘線）、SDA（I2C串行數(shù)據(jù)線）、VCC和GND四個引腳。MPU6050模塊的接口說明如表2-1：</p><p>　　表2-1 MPU6050模塊接口說明</p><p>　　2.2.2 MS5611模塊</p><p>　　該跌倒檢測系統(tǒng)利用氣壓傳感器測定實(shí)時大氣壓強(qiáng)的值，通過微處理器處理換算為海拔高度信息。該設(shè)備最好穿戴在使用者腰部位置，能夠相對準(zhǔn)確

33、的測得老人的身體重心所處的海拔高度。結(jié)合加速度計的數(shù)據(jù)，通過算法計算來判斷出老人的運(yùn)動狀態(tài)是否為跌倒。</p><p>　　本系統(tǒng)選用MS5611-o1BA氣壓傳感器來測量老人重心高度變化。如圖2-4所示，MS5611氣壓傳感器是瑞士公司MEAS生產(chǎn)的一款應(yīng)用廣泛地高分辨率氣壓傳感器，功率很低，正常工作 狀態(tài)下電流為1uA，而待機(jī)狀態(tài)下甚至小于0.15uA。采用QFN封裝，尺寸為5.0×3.0×

34、;1.0 mm3,最高分辨率可達(dá)到10cm。MS5611模塊內(nèi)含有一個高性能的壓力傳感器，其轉(zhuǎn)換時間低于一毫秒。該模塊的供電電壓為1.8V~3.6V,內(nèi)部還包含一個超低功耗的24為A/D轉(zhuǎn)換器，用來把壓力傳感器測得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，更便于數(shù)據(jù)的傳輸和計算。</p><p>　　圖2-4 MS5611實(shí)物圖</p><p>　　MS5611氣壓傳感器提供I2C和SPI接口，不需要對模

35、塊內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程，本系統(tǒng)采用I2C接口接收MS5611氣壓數(shù)據(jù)，?？晒ぷ鞯姆秶?10~1200mbar,-40~+85℃。MS5611可在多種操做模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)速度和降低電流消耗的目標(biāo)。圖2-5為MS5611的電路圖。</p><p>　　圖2-5 MS5611的電路圖</p><p><b>　　2.3微處理器模塊</b></p>

36、<p>　　微控制器是整套跌倒檢測裝置的控制核心，不管是數(shù)據(jù)處理，還是設(shè)備間的通信、控制都是由該模塊完成的。所以它的選擇對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，其選擇的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾條：</p><p>　?。?）模塊封裝必須小巧、輕便。</p><p>　　（2）控制芯片內(nèi)所集成的功能要強(qiáng)大，并具有足夠多的外部IO引腳來滿足該系統(tǒng)完成各項工作的需要。</p><

37、p>　?。?）功耗低，以保障能長時間的續(xù)航。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量少，不會令穿戴者產(chǎn)生不適感。</p><p>　　（4）成本盡量低，產(chǎn)品供貨充足。</p><p>　　綜合以上幾點(diǎn)要求，微控制器選擇了飛思卡爾K60系列MK60DN512ZVLL10單片機(jī)。如圖2-6所示，芯片采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位中央處理器，具有100個IO接口，512KB程序存儲器，1

38、28KB的RAM，處理速度可達(dá)100MHZ，并具有10種低功耗模式，很好的優(yōu)化外圍設(shè)備和恢復(fù)時間，低功耗定時器支持可以在芯片處于低功耗模式下穩(wěn)定運(yùn)行。該款單片機(jī)具有四種可配置分辨率的高速ADC，并且可選擇單路輸出或差分輸出模式，兩個12位DAC、3個高速比較器、四個64位可編程增益放大器。</p><p>　　在連接和通信發(fā)面該單片機(jī)功能也很全面，具有USB 2.0 On-The-Go(全速和高速)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的充

39、電檢測功，還能對充電電流或時間進(jìn)行優(yōu)化，延長各種USB設(shè)備電池使用壽命。電源電壓支持范圍：1.71V-3.6V，支持6個UART，RTC實(shí)時時鐘。它還具有2個CAN模塊，用于網(wǎng)絡(luò)橋接，具有3個同步串行口SPI和2個I2C，有32通道的DMA應(yīng)用于外圍設(shè)備和內(nèi)存，可加快傳輸速度，并降低CPU負(fù)載。</p><p>　　圖2-6 MK60DN512ZVLL10單片機(jī)</p><p>　　2.4

40、定位報警模塊 </p><p>　　2.4.1 GPS定位技術(shù)及GSM通信技術(shù)簡介</p><p>　　隨著當(dāng)今信息技術(shù)的快速發(fā)展，以前遙不可及的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在也應(yīng)用到了尋常百姓家。像現(xiàn)在普及的智能手機(jī)，衛(wèi)星定位功能基本上都是必備的。還有運(yùn)鈔車、快遞車、甚至很多家用轎車都安裝了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)控跟蹤。目前能提供全球定位服務(wù)的有兩大系統(tǒng)，一個是美國的GPS定位系統(tǒng)，另一個是俄羅

41、斯的GLASS定位系統(tǒng)，其中GPS系統(tǒng)現(xiàn)在商業(yè)運(yùn)營最為成熟。中國的北斗系統(tǒng)只是覆蓋了亞太區(qū)域，市場還有待開發(fā)，民用領(lǐng)路還不夠普及。</p><p>　　GPS全球定位系統(tǒng)最初主要是從軍事方面考慮進(jìn)行研發(fā)和設(shè)計的，后來慢慢發(fā)現(xiàn)其在民用和商用方面也用著巨大的潛力，并得以迅速的推廣使用。整個系統(tǒng)最少需要24顆衛(wèi)星，才能保障地球上任何位置都能在同一時間內(nèi)定位到至少四顆衛(wèi)星，來得到精確的位置信息。</p>&

42、lt;p>　　GSM（Global System of Mobile communication）即全球移動通信系統(tǒng)，是全球應(yīng)用最廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM被認(rèn)為是第二代移動通信標(biāo)準(zhǔn)（2G），同時它是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)。GSM只能使用短信形式傳送數(shù)據(jù)，無法做到“實(shí)時在線”、“按量計費(fèi)”。GPRS（General Packet Radio Service）即通用分組無線業(yè)務(wù)，是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會推出的介于2G和3G之間的移動通信技術(shù)。

43、GPRS技術(shù)使得數(shù)據(jù)傳輸速度從GSM系統(tǒng)最高9.6kbit/s一下子提升到了最高171.2kbit/s，推動的移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。該技術(shù)具有可永久在線、穩(wěn)定性高、接入時間短、傳輸速率高等特點(diǎn)，因而在許多行業(yè)都有大范圍的運(yùn)用，特別是一些需要實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男袠I(yè)中其優(yōu)勢尤為明顯。</p><p>　　2.4.2 SIM908模塊</p><p>　　跌倒檢測裝置當(dāng)檢測到老人跌倒后，要實(shí)現(xiàn)立即定

44、位老人當(dāng)前所處位置，并通過短信的形式，將位置坐標(biāo)信息及時發(fā)送給其家屬或急救中心以尋求救助。本裝置選用SIM908模塊來實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位通信報警功能。SIM908采用工業(yè)級芯片，可工作在5V~24V電壓范圍內(nèi)，具有GPS定位、短信、GPRS數(shù)據(jù)、語音傳輸?shù)裙δ?。該模塊具有以下主要特點(diǎn)：</p><p>　?。?）具有GPS定位功能，準(zhǔn)確定位老人跌倒位置。</p><p>　?。?）具有GSM、

45、GPRS、短信等傳輸功能。</p><p>　?。?）支持AT指令并實(shí)現(xiàn)串口通信，方便數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　?。?）支持低功耗模式，延長系統(tǒng)續(xù)航時間。</p><p>　　（5）集成度高，體積小，性能穩(wěn)定。</p><p>　　（6）具有基站定位功能，有天線接口，可增接收強(qiáng)信號強(qiáng)度。</p><p>　　圖2-

46、7 SIM908實(shí)物圖</p><p>　　SIM908模塊提供兩個不平衡的一步串行接口，其中一個串口用于通信，另一個串口用于數(shù)據(jù)調(diào)試和GPS輸出。用到的該模塊的引腳如表2-2：</p><p>　　表2-2 SIM908模塊引腳定義</p><p>　　SIM908模塊與MK60DN512ZVLL10單片機(jī)連接，通過串口接收AT指令，來完成各項功能，連接圖如圖2-

47、8：</p><p>　　圖2-8 SIM908模塊連接圖</p><p>　　3 跌倒檢測系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計</p><p>　　硬件部分相當(dāng)于整個系統(tǒng)的軀體，而軟件算法部分才真正賦予了它生命。本章主要介紹跌倒檢測算法、GPS定位功能、系統(tǒng)程序整體運(yùn)行過程。 </p><p><b>　　3.1跌倒檢測實(shí)現(xiàn)</b>&

48、lt;/p><p>　　3.1.1人體坐標(biāo)系</p><p>　　經(jīng)過對大量跌倒數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，跌倒檢測裝置佩戴位置的不同，對檢測的準(zhǔn)確性影響很大。當(dāng)該裝置被穿戴在腰部位置時，其檢測的準(zhǔn)確率最高。腰部最接近人體重心的位置，受到人體局部肢體運(yùn)動的影響較小，能最大程度上反映出人體整體的身體姿態(tài)。</p><p>　　以腰部為原點(diǎn)建立人體坐標(biāo)系o-xyz，令ax，ay，az分

49、別代表人體在三個正方向的加速度大小。則當(dāng)人靜止時或向一個方向勻速行走時，ax，ay的值均為0，而az正好為-g。</p><p><b>　　圖3-1人體坐標(biāo)軸</b></p><p>　　3.1.2加速度SVM閾值算法</p><p>　　人體意外跌倒的原因有許多，跌倒的方向、加速度、位移都具有隨機(jī)性，因而不可能通過一軸加速度的變化情況，就能

50、判斷出人體的運(yùn)動姿態(tài)。另外，跌倒檢測裝置三個加速度的測量軸方向由于人體不斷運(yùn)動，不可能實(shí)時保持和人體坐標(biāo)軸相一致，使得分別分析ax，ay，az的變化情況來檢測跌倒變得難以實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)運(yùn)用加速度SVM閾值算法很好的解決了以上問題。</p><p>　　加速度SVM閾值算法就是首先利用公式（*1）計算出加速度幅值SVM；接著對老人的各種身體運(yùn)動狀態(tài)下的SVM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，得到一個合適的SVM閾值；最后只需利用當(dāng)前

51、檢測到的加速度幅值SVM同SVM閾值進(jìn)行比較即可判斷老人是否跌倒。</p><p><b>　　（*1）</b></p><p>　　3.1.3加速度數(shù)據(jù)的采集與分析</p><p>　　為了避免老人在實(shí)驗(yàn)時發(fā)生危險，本實(shí)驗(yàn)選擇了10名身體健康的年輕志愿者參加。實(shí)驗(yàn)包含11個測量項目，分別讓10名志愿者穿戴同一跌倒檢測裝置進(jìn)行測量，記錄每次測量

52、到的加速度幅值SVM峰值。最后利用公式（*2）分別計算出每個項目峰值的平均值。</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　其中ai代表各單項實(shí)驗(yàn)每名志愿者加速度幅值SVM的峰值，ai代表每個實(shí)驗(yàn)項目加速度幅值SVM的峰值的平均值。</p><p>　　老人11種活動所產(chǎn)生的加速度幅值SVM峰值如圖3-2所示，老人正常的活

53、動所產(chǎn)生的加速度幅值SVM峰值都不是很大，不會超過13m/s2,但是跌倒所產(chǎn)生的峰值都大于14 m/s2。為了確保老人跌倒后該裝置能及時報警，設(shè)定本實(shí)驗(yàn)跌倒檢測到的最小加速度幅值SVM峰值14.56 m/s2為本系統(tǒng)SVM閾值。</p><p>　　圖3-2 速度幅值SVM峰值分布圖</p><p>　　3.1.4海拔高度數(shù)據(jù)的采集與分析</p><p>　　由于日

54、常生活中人的運(yùn)動狀態(tài)非常復(fù)雜，僅憑借加速度計的檢測判斷難免會發(fā)生誤判，這給使用者帶來了不便。為了提高系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確度，檢測裝置中加入了氣壓計來測量海拔高度的變化。如圖3-3所示，在老人跌倒這很短的時間內(nèi)，其重心所處海拔高度會有一個明顯的降低，并且之后的很長時間都會保持較低的狀態(tài)。通過這個特點(diǎn)很容易就可以區(qū)分出跳躍、跑步等一些加速度變化同跌倒相似的活動狀態(tài)，從而減少誤判情況。</p><p>　　圖3-3 跌倒過程海

55、拔高度變化圖</p><p>　　3.1.5跌倒檢測算法</p><p>　　本系統(tǒng)的跌倒檢測全部流程如圖3-4所示，主要經(jīng)過三個條件的判斷最終確認(rèn)是否跌倒。首先，實(shí)時采集加速度數(shù)據(jù)和海拔高度h，計算出加速度幅值SVM。判斷SVM是否大于SVM閾值，如果不是則把h賦值給h1（跌倒前正常的海拔高度），若是則等待0.5秒后檢測一下這時裝置是否保持靜止即SVM約等于g。因?yàn)楫?dāng)人體跌倒后很短時間內(nèi)

56、就會接觸到地面，會保持一段時間的靜止，因此加速度幅值SVM接近g。</p><p>　　若以上兩個加速度方面的判據(jù)都符合，則最后檢測海拔高度的變化情況。由于跌倒前后身體重心肯定會降低一定高度，就用h1減去延時0.5秒后檢測到的h，如果結(jié)果大于海拔高度差的閾值就判定為跌倒。</p><p>　　圖 3-4 跌倒檢測流程圖</p><p>　　3.2 GPS定位功能&l

57、t;/p><p>　　3.2.1 AT指令</p><p>　　當(dāng)本系統(tǒng)檢測到老人跌倒后，就會通過 GSM 短信的方式發(fā)送警報短信。在系統(tǒng)的定時器中斷程序中，一旦檢測到相應(yīng)的短信標(biāo)志位被置為1時，系統(tǒng)將會開啟 SIM908 無線通信定位模塊，進(jìn)行GPS定位，并將位置信息以短信的方式發(fā)送出去。</p><p>　　SIM908 的操作均是通過 AT 指令實(shí)現(xiàn)的。AT 指令

58、是以 AT 作首，其語法格式為AT<x><n>，其中<x>為命令，<n>為參數(shù)。響應(yīng)的指令均以$開頭，以回車換行為結(jié)束，結(jié)束用轉(zhuǎn)義符號\r\n 表示。每個指令執(zhí)行成功與否都有相應(yīng)的返回值，指令發(fā)送正確時 SIM908 模塊會返回 “OK”字符串，指令發(fā)送錯誤時 SIM908 模塊會返回“ERROR”字符串。</p><p>　　SIM908 模塊 SIM卡初始化：&

59、lt;/p><p>　　AT+CNMI=2,2\r\n 設(shè)置新短信接收模式：直接顯示</p><p>　　AT+CMGF=1\r\n 選擇短信發(fā)送格式： AT+CMGF=1 為 text 格式，AT+CMGF=0 為 PDU 格式。</p><p>　　GSM短信的發(fā)送方式通常有 Text 和 PDU 兩種形式，使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)起來十分容易

60、，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。</p><p>　　3.2.2 GPS數(shù)據(jù)解析</p><p>　　在模塊內(nèi)部集成了GPS 定位功能，也是通過 AT 指令來獲得當(dāng)前的位置信息的。</p><p>　　AT+CGPS=1 啟動為 1，關(guān)閉為 0</p><p>　　AT+CGP

61、SIPR 設(shè)置本地波特率</p><p>　　AT+CGPSINF 測取當(dāng)前 GPS本地信息</p><p>　　GPS 啟動運(yùn)行后，在一定的周期段內(nèi)，系統(tǒng)會自動返回固定格式的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式為：</p><p>　　$信息類型,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6&g

62、t;,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12></p><p>　　數(shù)據(jù)以‘$’開頭，其后為信息類型和數(shù)據(jù)。信息類型包括 GPGGA--GPS定位信息，GPVTG--地面的速度信息，GPRMC--推薦的最小定位信息，GPGSV--可見衛(wèi)星信息，GPGSA--當(dāng)前衛(wèi)星信息等。</p><p>　　每種信息類型

63、后面的數(shù)據(jù)內(nèi)容是不一樣的，我們以推薦最小定位信息GPRMC 為例進(jìn)行數(shù)據(jù)解析：</p><p>　　<1> UTC 時間，hhmmss(時分秒)格式，這個是格林威治時間，是世界時間（UTC），我們需要把它轉(zhuǎn)換成北京時間（BTC），BTC和UTC差了8個小時，要在這個時間基礎(chǔ)上加8個小時。</p><p>　　<2> 定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位</p&

64、gt;<p>　　<3>緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)</p><p>　　<4> 緯度半球N(北半球)或S(南半球)</p><p>　　<5>經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)</p><p>　　<6> 經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))</p&g

65、t;<p>　　<7>地面速率(000.0~999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸)</p><p>　　<8>地面航向(000.0~359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸)</p><p>　　<9> UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式</p><p>　　<10>磁偏角(000.0~180

66、.0度，前面的0也將被傳輸)</p><p>　　<11> 磁偏角方向，E(東)或W(西)</p><p>　　<12>模式指示(A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效)</p><p>　　3.3系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)</p><p>　　整個老人跌倒檢測系統(tǒng)的控制流程如圖3-5所示，程序運(yùn)行后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，

67、包括單片機(jī)內(nèi)部各單元的初始化，系統(tǒng)各模塊和系統(tǒng)中定義的函數(shù)、變量的初始化。初始化完成之后，就會進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，在此期間如果發(fā)生中斷，將會運(yùn)行中斷服務(wù)程序的。</p><p>　　用到的中斷有兩種，一種是定時器中斷，其中斷服務(wù)函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集加速度和海拔高度數(shù)據(jù)，判斷老人是否跌倒。另一種是按鍵控制的外部中斷，當(dāng)發(fā)生漏判或者誤判時，用來及時發(fā)出或取消報警。</p><p>　　當(dāng)檢測到

68、跌倒或報警按鍵按下時，系統(tǒng)退出低功耗模式，開始驅(qū)動SIM908模塊，從而獲取GPS地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)并通過GSM短信的方式發(fā)送給其看護(hù)人。</p><p>　　圖 3-5 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　隨著人口老齡化問題不斷加深，老年人的健康醫(yī)療與安全監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為了一個非常有研究價值的領(lǐng)域。本文主要

69、針對老年人跌倒后如何及時發(fā)現(xiàn)并營救的問題，設(shè)計開發(fā)了一個通過多種傳感器采集實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過微控制器計算和分析后得到身體姿態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)有跌倒發(fā)生就會及時控制通信模塊向外界發(fā)送報警求救信號的系統(tǒng)。在三軸加速度SMV閾值算法基礎(chǔ)上輔以海拔高度檢測，最終實(shí)驗(yàn)得到的檢測結(jié)果很令人滿意。</p><p><b>　　論文主要工作如下:</b></p><p>　　(1）首先通

70、過查找相關(guān)的資料,了解當(dāng)前跌倒檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析現(xiàn)行方案的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　?。?）建立人體坐標(biāo)系 ，選擇合適的運(yùn)動狀態(tài)變量，應(yīng)用三軸加速度SMV閾值和海拔高度檢測相結(jié)合的算法，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)對加速度幅值和海拔高度差選取合適的閾值。</p><p>　?。?）對系統(tǒng)涉及到的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，為論文的研究工作和系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。</p>

71、<p>　　（4）研究了各傳感器的特點(diǎn)、通信協(xié)議；開發(fā)了獲取海拔高度、加速度值的程序和跌倒檢測的程序。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　非常感謝張立華老師給予我的無私的指導(dǎo)和幫助，在選題階段張立華老師同我們每個人都進(jìn)行了深入的交流，幫助我們發(fā)散思維、增強(qiáng)創(chuàng)新意識、尋找好的命題。在寫作期間不管遇到什么問題，張老師都會很耐心的解答。

72、在幫我們修改論文的階段，他更是完全放棄了自己的休息時間，對論文逐字逐行的反復(fù)檢查，不放過任何一個錯誤，這種敬業(yè)精神深深地感染到我們每個人，鼓舞我們在今后的學(xué)習(xí)和工作中更加的認(rèn)真負(fù)責(zé)，在此向張老師表示我由衷的謝意。</p><p>　　經(jīng)過這一階段的努力，終于完成了我的畢業(yè)設(shè)計，這也標(biāo)志著我的大學(xué)生活就要結(jié)束了。這四年是我真正形成世界觀、人生觀的時期，感謝各位老師的言傳身教給我了一個良好的精神氛圍，感謝各位同學(xué)、朋

73、友的陪伴，使我的成長之路從不缺少歡笑個鼓勵。感謝我的母校，給我了這么好一個學(xué)習(xí)成長的環(huán)境，曲園永遠(yuǎn)是我的一片心靈凈土。</p><p>　　最后要感謝我的家人，你們永遠(yuǎn)是我的精神支柱，不管在精神上還是物質(zhì)都對我提供最大的支持，沒有你們，我不可能這樣一直追尋我的夢想。我一定會更加努力去完成我的目標(biāo)，將來讓你們?yōu)槲因湴?，相信這也是你們最想看到的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

74、</b></p><p>　　[1] 李志宏.人口老齡化問題的本質(zhì)和特征分析——兼論人口過度老齡化[J].老齡科學(xué)研究,2013（2）：8.</p><p>　　[2] 袁通.人體姿態(tài)檢測及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013（12）：74-77.</p><p>　　[3] 李延廷. 基于單片機(jī)技術(shù)的海拔高度測量電路設(shè)計[J].中國

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