广东工业大学自动化学院　梁高生



基于九轴传感器的老年人跌倒检测系统设计

广东工业大学自动化学院梁高生

在不断增长的人口和老龄化加剧，寿命延长和慢性疾病发病率增加等许多因素作用下，越来越多的家用便携式监护仪进入了公众们的视线，特别是监护仪在医用和家用这两个方向的发展。研究发现跌倒成为了老年人意外死亡的主要原因。针对我国空巢老人人数的不断增长的现象，本文设计了一款针对老年人的跌到检测系统。该系统主要采用九轴传感器对加速度、角速度和陀螺仪的数据进行不断采集，然后把数据传给主控芯片进行分析处理，从而判断出老年人是否发生跌倒，再通过GPS和GSM进行精确定位，然后把这些数据通过移动网络发送给监护人，从而进行快速的救治。

跌倒检测；九轴传感器；加速度；角速度；陀螺仪

1　引言

老年人跌倒检测指的是当老年人摔倒过程中，加速度和角速度发生很大的变化，在地上时，身体的姿态发生变化。通过对这些参数进行处理，从而检测出老年人发生了跌倒情况。当老年人意外跌倒时，可以得到有效快速的治疗，为老年人的身体健康加上一层保护层。

目前，我国老年人人数的不断增加，而老年人的身体状况也成为了一个比较严峻的课题，跌倒是危害老年人健康的主要原因，采用什么措施对老年人的跌倒进行实时监测也迫在眉睫，本系统利用先进的九轴惯性传感器（三轴加速度、三轴角速度和三轴陀螺仪传感器）实时采集人体活动姿态数据，对采集到的数据进行分析融合后提取特征向量，经过跌到算法检测老年人是否跌倒，若发生跌倒，则通过报警系统进行报警，并把这一情况实时的，快速的发送给监护人，通过GPS和GSM获得此时的准确位置，使监护人可以第一时间获得老年人的位置，进行第一时间的救治。此系统也为老年人的跌倒检测提供了一种新思路。

2　整体设计方案

系统整体设计框图如图1所示：

图1　系统硬件整体框架

系统硬件平台主要由主控制器模块、惯性传感器模块、通信定位模块、电源管理模块、用户按键和蜂鸣器构成。

九轴传感器模块上的三轴角速度传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器负责采集人体运动姿态数据，传输给主控制器；主控制器控制整个系统的运行和对采集数据进行跌倒检测算法处理；报警蜂鸣器和用户按键通过I/O口接入主控芯片；具有GPS/ GSM通信定位功能的SIM808模块由主控制串口发送命令控制；电源管理模块为系统的各个模块提供供电，并为锂电池充电。

3　硬件电路设计

3.1主控制器设计

本设计侧重于便携，并且可以实现远程检测，经过分析，STM32L151RBT6具有高集成度和低功耗等优势，具有3级流水线和哈佛结构，其操作频率可达32MHz。STM32微控制器外设非常丰富，集成了大部分的系统设计需要的全部外围设备，并且功耗低，性能高，能够满足本系统设计的需要，因此系统的主控芯片选用了该微控制器。

3.2定位单元设计

本设计的定位采用GPS+GSM组合定位，GSM模块要用到的是它的短消息功能，利用短消息将GPS定位信息发送给手机或PC机。在紧急情况下，系统自动将GPS定位信息以短信方式发送给监护手机，确保监护人能及时知道老年人的位置。并且监护手机也可以发送短信到MCU来获取老年人的位置。

3.3跌倒检测单元设计

本系统采用Invensense的九轴传感器MPU9250来采集人体的姿态数据。MPU9250的具有三个16位加速度AD输出，三个16位陀螺仪AD输出，三个6位磁力计AD输出。精密的慢速和快速运动跟踪，提供给客户全量程的可编程陀螺仪参数选择（±250，±500，±1000，and±2000° /秒（dps）），可编程的加速度参数选择±2g，±4g，±8g，±16g，以及最大磁力计可达到±4800uT。此外，还有可编程的数字滤波器，40-85℃时带高精度的1%的时钟漂移，嵌入了温度传感器，并且带有可编程中断，支持SPI通信，通过SPI通信与主控制器进行数据传输，通过采集模块上的加速度传感器和陀螺仪传感器的数据，分析后获得人体的姿态状态，从而判定老年人的身体状况，得出是否跌倒。

4　系统软件程序框架

系统软件程序流程如图2所示，系统上电后首先对各个设备模块进行初始化，包括GPIO、SPI、串口、中断定时器、惯性传感器以及GPS等。然后读取FIFO中的数据进行算法分析，判断是否有跌倒行为。若无，则重入数据读取流程；若发生跌倒事件，设备马上通过蜂鸣器发出声音警报，若用户十秒内没通过按键关闭警报，设备通过短信通知监护人的同时，将检测数据及位置信息上报至远程监护服务器。

5　结束语

本文设计了一种基于九轴传感器的跌倒检测系统，不但可以准确快速的判断老年人的跌倒状况，而且可以快速实时的把数据发送给监护人，使老年人在跌倒时，得到快速的救治。经过测试，这个系统在实验室的环境下，可以完成对老年人的跌倒检测，并把数据快速的发给监护人。这个系统的设计也为老年人跌倒检测方面的研究贡献一点力量。

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梁高生（1900—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向：医疗器械设备与嵌入式系统设计。