申　晗 程恩琥

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

低成本老人居家跌倒检测报警系统设计

申晗 程恩琥

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

本文针对我国老龄化严重、看护资源不足，老人在家意外跌倒不能被及时发现无法得到救治的问题，研究分析了跌倒检测技术及老人生活环境，基于微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技术提出一种脚部运动特征值信号向量幅值（signal vector magnitude，SVM）和倾斜角（tilt angle，TA）的多阈值跌倒判别及滞后修正方法，结合无线充电技术，设计了基于CC2530的低成本老人居家跌倒检测报警系统。老人在家意外跌倒时，系统可自动向预设监护人发送报警短信，具有低成本、低功耗、高可靠性的特点。

CC2530；ZigBee；SVM；TA；跌倒检测；无线充电

据相关资料显示，全世界每年有近50万人因跌倒受伤、失去活动能力甚至失去生命。老年人因其身体各项机能的衰退，受到意外跌倒影响更加严重。然而多数情况下跌倒并不是造成死亡的直接因素，而是由于伤者不能被及时发现得到救治。每年因意外跌倒造成的医疗费用达50余亿元，间接社会代价更为巨大。随着智能家居的高速发展，智能人体跌倒检测克服了传统手动式报警装置在受监护者跌倒后失去活动能力甚至失去意识时无法实施报警的缺点。但智能家居行业仍处于起步发展期，成本较高，不易于大范围推广。因此，设计一种低成本、实时有效的跌倒检测报警系统是非常必要的。本文提出一种将MEMS微机电系统嵌入鞋底、对脚部运动相关的特征值信号向量幅值SVM和倾斜角TA的多阈值跌倒判别及滞后修正方法，结合无线充电技术，设计了基于CC2530的低成本老人居家跌倒检测报警系统，老人在家意外跌倒时，可及时向监护人发送报警短信，使老人得到及时救助，将伤害降到最低，满足居家老人使用需求。

1.跌倒检测技术

目前，用于人体跌倒检测的研究方法主要分为3类：一是基于计算机视觉技术，利用监视器采集人体活动视频，再进行图像处理，从而观测人的活动状态和姿态等信息。二是基于音频传感器技术，主要通过分析跌倒时人体冲击地面导致的振动来进行判断，当地面振动传感器采集到振动信息时，进行数据分析，从而判断人体是否跌倒。三是利用加速度传感器、陀螺仪等微机电系统（MEMS）对人体加速度、角度等信息进行判别，从而实现跌倒检测。

受我国经济特点及企业主要存在形式的影响，老年人居住环境较为集中，且由于住宅年代久远建筑技术的限制，使得住宅存在光线暗、隔音差、不易于二次改造等问题。综合以上因素，基于MEMS的跌倒检测技术更适用于我国居家老人的监护。现有的MEMS的跌倒检测系统的传感器数据主要从智能手环或智能手机获取。但对于老年人智能手机不易携带和保管，智能手环虽然采用低功耗技术续航时间长，但其仍需定期充电且束缚感强。因此本文提出一种将MEMS传感器嵌入鞋底对脚部运动相关的特征值进行多阈值跌倒判别及滞后修正的方法。

2.系统设计

系统主要由跌倒检测判别单元、监控报警单元、监测端组成。跌倒检测判别单元与监控报警单元采用Zigbee技术进行无线通信，监控报警单元利用GPRS技术向监护人员发送报警信息。系统拓扑图如图1所示。

当老人正常活动时，跌倒检测单元会实时检测老人的活动状态；当发生意外跌倒时，检测判别单元将根据加速度传感器采集的数据进行判别，利用Zigbee无线通信技术将检测信息传输到监控报警单元，通过发送的信息识别出老人所处位置和跌倒状态，利用SIM800技术将检测信息结果和位置信息发送给监护人员，以便于摔倒老人及时得到救治。

系统采用Zigbee组网技术，可实现整栋楼的用户的摔倒事故的检测判别，各用户可同时使用一个监控报警单元，极大地节约了成本。

跌倒检测判别单元可按照需求内嵌到任意鞋子内部，穿着方便，不会影响舒适度，同时当用户休息时，可将鞋子放在床边地毯等特定位置，利用无线充电技术进行充电，简单方便。

2.1系统硬件设计

硬件系统主要分为电源管理电路、脚部姿态检测电路以及CC2530外围电路，系统整体框图如图2所示。

2.1.1跌倒检测判别单元设计

跌倒检测判别单元主要利用三轴加速度传感器和陀螺仪采集人体脚部的运动信息，通过SVM和TA算法判断老人是否跌倒以及跌倒的姿态。

跌倒检测判别单元采用MPU6050加速度传感器采集脚部姿态信息。MPU6050内部集成用于加速度和角度识别的三轴加速度传感器和陀螺仪。其可通过软件程序控制最大加速度测量值可达±16g，角速度最大感测值可达±2000°/sec（dps），可准确追踪快速与慢速动作，对脚部的3个方向的加速度和倾斜角进行测量识别。

MPU6050采用单电源供电，供电方便，采用QFN20封装，机械尺寸仅为4×4×0.9mm，大大节省空间，符合本设计实际需求。

2.1.2无线通信模块

跌倒检测判别单元与监控报警单元通信采用基于CC2530无线通信模块的Zigbee技术，该技术基于IEEE802.15.4标准协议，能够以极低的材料成本建立强大的网络节点，其具体性能指标见表1。

表1　 Zigbee技术性能指标

Zigbee传输速率快，数据吞吐能力强，搭建成本和功耗低，支持数据多种传输模式，网络节点数最大可达65000个，完全满足组网数量要求，同时工作频率采用2.4GHz，具有很较强的抗干扰性能，特别适用于低功耗、高可靠性数据传输场合。CC2530内嵌8051内核，无须利用外部MCU单元，极大地节约了制作成本。

监控报警单元和监测点之间采用SIM800技术进行短信通信，SIM800是一款尺寸紧凑、小巧的可支持4频的GSM/ GPRS模块，采用省电技术设计，性能强大。只需使用AT指令，无须复杂的软件编程即可实现短信报警功能。

2.1.3无线充电设计

无线充电部分采用芯科泰公司的无线充电解决方案，无线充电模块采用无芯圆形螺旋电感线圈作为无线充电的发射、接收线圈。无线供电采用“磁耦合共振”技术。当发射端通电时，在其周围形成一个交变的磁场，作为发射线圈和接收线圈能量传递的媒介。强度与地磁场在同一数量级，不会形成电磁干扰，且传输损耗小。本设计中，无线充电单元的发射线圈采用5V～12V直流电压供电，适合居家使用；接收线圈体积小，外径为38mm，内径为30mm，厚度1.6mm，适合安装在鞋内，满足系统对无线充电的要求。

2.2系统软件设计

软件设计主要包括脚部姿态加速度和角速度的基于阈值的判别。将加速度传感器采集得到的3个方向的加速度合成成为信号向量幅值SVM，如式（1）所示。

倾斜角TA表示老人脚部角度发生变化的幅度，意外跌倒过程中会使脚部产生较大的倾斜角，TA表达式如下所示：

由于人体在发生意外跌倒时情况种类较多，为了降低误报率，提高检测精度，算法以SVM和TA值作为判断依据，设定正常运动状态下的阈值作为参考，以检测跌倒后续一段时间的三轴加速度值作为滞后修正依据。如图3所示为跌倒检测判别单元的软件程序流程图。

3.系统性能测试

3.1电源部分测试

对无线充电单元的充电性能进行测试，如图4所示为电源部分测试示意图，通过改变提离值，测试接收线圈电流值，以判断是否满足系统工作需求。

提离值分别为0～6mm时接收线圈接收到的电流值，见表2。

表2　不同提离值对应的接收电流数值

由表2可知，提离值的大小影响接收电流的大小，当提离值为6mm时，接收电流仍可达到132mA，完全满足实际中对TP4056充电芯片的工作条件要求。

对跌倒检测判别单元功耗进行测试，其工作电流仅为32mA，配备2000mA时电池，跌倒检测判别单元连续工作时间可达60小时以上。

3.2模拟测试实验

考虑到老年人的安全问题，本实验样本为男女青年各两名，在实验中增加身体负重，以模拟老年人运行速度，分别模拟4个方向的单只脚的摔倒过程以及意外碰撞的过程，实验结果见表3。

表3　实验数据

由表3实验数据可知，当同时对两只脚进行检测时，准确率将会提升。

结论

（1）本文提出一种新的传感器安装方法，将姿态检测传感器内嵌在鞋子内部，极大地方便了老人的使用，利用无线充电技术，便于用户充电。系统工作电流仅为32mA，配备2000mA时锂电池，连续工作时间可达60小时以上，满足老人使用需求。（2）系统中设计的脚部姿态判别算法极大地降低了老人摔倒的误报率，具有很高的可靠性和准确性。（3）系统采用CC2530集成的片上SOC解决方案，内嵌增强型8051内核，成本低，满足大范围推广条件，节约了社会养老成本。

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