Design and Implementation of the Portable Intelligent Fall Detector

胡云冰　童世华

(重庆电子工程职业学院计算机学院，重庆　401331)

一种便携式智能跌倒检测仪的设计与实现

Design and Implementation of the Portable Intelligent Fall Detector

胡云冰童世华

(重庆电子工程职业学院计算机学院，重庆401331)

摘要：针对我国日益突出的人口“老龄化”问题以及普遍存在的“空巢”现象，为了避免老人发生跌倒时无人看护，以至于不能及时发现而无法及时获得救助导致猝死等情况的发生，利用三轴跌倒算法和GPRS无线通信技术，设计并实现了一种便携式智能跌倒检测仪。通过测试表明，该跌倒检测仪能对佩戴者是否发生跌倒进行准确检测，并及时准确发出本地声光报警和远程报警，具有报警准确率高、稳定性强等特点，具有广阔的市场前景和良好的社会效益。

关键词：跌倒算法GPRS加速度传感器跌倒检测跌倒监护远程报警

Abstract：In accordance with the situations of population aging problem becomes increasingly prominent and the expanded empty nest phenomenon in our country, in order to avoid the aged people have fallen when unattended, even lead to sudden death because they can not be detected and aided timely, thus the portable intelligent fall detector has been designed and implemented by adopting 3-axis fall algorithm and GPRS wireless communication technology. Through tests, it is shown that the users with wearable sensor can be accurately detected when they fall, and local audible and visible alarm and remote alarm can be issued, the instrument features precise alarm rate and high stability, in addition, it possesses broad marketing prospects and good social benefits.

Keywords：Fall algorithmGPRSAcceleration sensorFall-detectionFall guardianshipRemote alarm

0引言

根据第六次全国人口普查主要数据公报显示，我国已经步入老龄化社会。与此同时，“空巢老人”数量也急剧增加。当老人们发生意外跌倒或突发疾病时，通常因没能被及时发现而错失了最佳急救时间，从而造成巨大伤害或无法挽回的后果。因此，对独居老人和空巢老人的实时远程监护已经成为一个社会关注热点和亟待解决的问题。

目前，市场上已有几种针对老人跌倒进行监测、报警的装置，但普遍存在价格过高、功能较少、“误报”和 “漏报”几率大等缺点[1]。针对市场现有产品的不足，本文提供了一种基于GPRS无线通信的便携式智能跌倒检测解决方案。该方案能对佩戴者是否发生跌倒进行精确检测，并发出本地和远程报警。与同类产品相比，其价格低廉，具有自动本地报警和远程报警以及跌倒空间定位功能，“误报”和 “漏报”几率极低，抗摔能力强，体积小，质量轻，方便携带, 具有广阔的市场前景。该跌倒检测仪已申请技术保护，并已获国家专利授权，专利号：ZL201220080508.3。

1系统总体方案设计

基于GPRS通信的智能跌倒仪主要由跌倒监护报警终端(跌倒检测仪)、远程监护终端 (监护手机)和二者的通信网络三个部分组成。跌倒远程监护系统拓扑图如图1所示。

图1　跌倒远程监护系统拓扑图

图1所示跌倒检测仪由使用者佩戴，主要负责检测佩戴者是否发生跌倒，当佩戴者发生跌倒时会及时发出报警信号；监护手机主要负责收取由跌倒检测仪发出的报警信号；通信网络GPRS主要负责将跌倒检测仪发出的报警信号发送给监护人手机。

该智能跌倒仪通过检测佩戴者人体体位发生变化时所伴随的剧烈的加速度变化，获得实时信号，然后传至核心处理模块进行存储和分析，从而确定是否发生跌倒事件。若发生跌倒事件，检测仪首先进行本地的10 s的声光报警，在10 s声光预警内如果没有取消报警按键输入，在声光预警结束后自动通过GPRS发送报警短信到指定的监护人手机上，同时通过GPRS将报警信息发送到监护人手机上进行报警提示。

2三轴跌倒算法

本设计是通过三轴跌倒算法实现佩戴者是否发生跌倒检测的。三轴跌倒算法是本设计跌倒检测准确性的关键。为了准确区分人体跌倒和生活行为，本设计设地面坐标系为固定的笛卡尔坐标系OXYZ，其中Z轴垂直于地面；将跌倒检测仪佩戴于人体正前方，人体躯干坐标系为Oxyz，x轴指向躯干前方，y轴指向左方，z轴指向右方[2-3]。Oxyz和OXYZ示意图如图2所示。

图2　人体躯干坐标系Oxyz及地面坐标系OXYZ

当身体正常直立时,坐标系Oxyz与坐标系OXYZ平行;当跌倒检测仪佩戴者摔倒在地面时，作用在人体与地面的接触部位的平均力为[4]：

(1)

3硬件系统的设计与实现

根据跌倒检测仪的功能需求分析，跌倒检测仪系统的硬件部分主要包括核心处理模块、加速度信息采集模块、声光报警模块、按键输入模块、GPRS通信模块、系统电源模块等六个模块。系统硬件结构如图3所示[6]。

图3　系统硬件结构图

图3所示的加速度信息采集模块负责实时采集人体加速度信息；声光报警模块主要进行本地声光报警；按键输入模块负责在本地声光报警时进行取消报警或者系统出现漏报时进行主动报警；GPRS通信模块主要负责本地声光报警后远程报警信息的发送；核心处理器负责实现信息的处理，以及相应功能的实现。

3.1　加速度信息采集模块

本模块主要通过对跌倒检测仪佩戴者加速度的检测实现是否发生跌倒的检测。根据设计需要，加速度信息采集选用的传感器是ADI公司的三维加速度传感器ADXL345。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度；可以从运动或者振动中测量动态加速度，能够分辨仅为0.25°的倾角变化；可以检测有无运动发生，以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平；可以检测单击和双击动作。自由落体感测功能可以检测该设备是否正在自由跌落[7-8]。

加速度传感器ADXL345的控制和使用主要通过操作传感器内部的寄存器实现。通过IIC接口和SPI接口实现三个轴上的加速度分量读取。

3.2　无线通信模块

本模块主要实现本地声光报警后远程报警信息的发送。本设计采用GPRS通信方式，无线通信模块选用的是华为的EM310。EM310模块共有50个引脚，引脚的接口包括了EM310与外界相连接的所有接口，包括电源部分、数据通信部分、语音通信部分以及状态指示部分。实现的主要功能是数据通信，主要包括了GPRS模块的SIM卡与远程用户的手机通信，以及GPRS模块与系统核心处理器之间的串口通信[9]。

3.3　核心处理器模块

本模块主要实现对各模块信息的处理。系统的核心处理器采用的是Luminary Micro公司推出的LM3S1138芯片。LM3S1138内部集成了ARM CortexM-3的内核、内部存储器(64 kB Flash和16 kB SRAM)、通用定时器、看门狗定时器、同步串行接口(SSI)、UART接口、ADC采集器、模拟比较器、IIC模块和GPIO口。

4系统软件的设计与实现

系统的软件架构图如图4所示。

图4　系统软件架构图

根据跌倒检测仪的功能要求，跌倒检测仪的系统软件主要包括系统初始化配置模块、循环跌倒检测判断模块、报警处理模块、无线通信控制模块部分等[10]。

系统初始化模块主要负责对系统各种功能函数、各种外设接口和功能模块等进行初始化的配置。循环跌倒检测判断模块主要是跌倒检测算法的实现，负责对人体加速度的变化和身体姿态进行实时的监测，判断人体是否发生跌倒。报警处理模块实现当检测到人体跌倒后进行各种报警的处理。无线通信控制实现在报警处理后进行无线通信，控制无线通信模块发送远程报警信息。

根据跌倒检测仪系统的功能需求分析可知，跌倒检测仪的系统执行过程主要是在系统初始化完成以后，在系统中通过循环监测的方式，对人体的加速度和身体姿态进行循环监测。当监测到人体的加速度变化和身体姿态变化出现异常时，首先进行本地声光预警提示，在本地预警提示正常的结束后，系统将控制系统中的无线通信模块，实现远程报警和空间定位信息的处理和发送。跌倒检测的主要流程如图5所示。

图5　系统主流程图

5系统测试

经功能测试，跌倒检测仪完全实现了预定功能：若发生跌倒事件，跌倒检测仪首先进行本地10 s声光报警，在10 s声光预警内如果没有取消报警按键输入，则在声光预警结束后自动通过GPRS发送报警短信到指定的监护人手机上。

跌倒检测仪通过了耐温测试、跌落高度测试、电磁兼容性测试、抗震测试以及误报率测试，耐温值为-40～80 ℃；跌落高度值为0～1 200 mm。模拟测试数据如表1、表2所示。本设计展现出高可靠性、高稳定性、高抗干扰性、高抗摔性、误报率极低等特点。

表1　正常日常生活活动模拟测试数据表

表2　各种跌倒模拟测试数据表

6结束语

本文通过三轴跌倒算法和GPRS无线通信技术设计并实现了一种便携式智能跌倒检测仪。经测试表明，该跌倒检测仪能够在佩戴者发生跌倒时及时准确发出本地声光报警和远程报警。与市场同类产品相比，本设计作品具有报警准确率高、稳定性强、抗摔性好、抗干扰能力强、体积小、佩戴方便、价格低等优点，其优点得到国家专利局认可，并已进行专利授权。该跌倒检测仪具有十分广阔的市场前景和良好的经济效益、社会效益。

参考文献

[1] 张玉，陈蔚.老年跌倒研究概况与进展[J].中国老年学杂志,2011,28(2):29-31.

[2] 陈炜，佟丽娜，宋全军，等.基于惯性传感器的跌倒监测系统设计[J].传感器与微系统,2010,29(8):117-125.

[3] 张鑫，孙新香.基于MMA7260QT三轴加速度传感器的跌倒探测仪的研制[J].世界电子元器件,2011,3(1):89-94.

[4] 郑秀瑗，高云峰，侯曼,等.现代运动生物力学[M].北京：国防工业出版社，2007：102-108.

[5] Varlow J，Silman A J，Reeve J，et al.Age and sex influences on fall characteristics[J].Annals of the Rheumatic Diseases,2009,53(2):73-75.

[6] 汪颖翔，刘芹，芦珊.传感器在检测老年人摔倒中的应用[J].魅力中国，2011，26(5)：94-96.

[7] 曹玉珍，蔡伟超，程旸.基于MEMS加速度传感器的人体姿态检测技术[J].纳米技术与精密工程，2010，8(1)：37-41.

[8] 刘冬.MEMS电容式加速度传感器检测电路研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[9] 雷纯.基于GPRS和ZigBee的嵌入式智能家居系统研究[D].南宁：广西大学，2010.

[10]肖丽.智能家居中老人跌倒监护的研究与实现[D].重庆：重庆邮电大学，2012.------------------------------------------------------------------------------------------------

中图分类号：TH89

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502021

重庆市教委科学技术基金资助项目(编号：CY120301)。

修改稿收到日期：2013-11-28。

第一作者胡云冰(1979-)，男，2007年毕业于重庆大学软件工程专业，获硕士学位，讲师；主要研究方向为嵌入式技术。