刘欣然

(北京航空航天大学，北京100191 )



老人跌倒监测定位装置的研究

刘欣然

(北京航空航天大学，北京100191 )

摘要:当老人发生跌倒或者遭遇其他意外危险时，如果未在第一时间得到救治，很可能会导致老人瘫痪或生命安全，针对这一情况，提出了采用三轴加速度计等对老人状态进行监测和报警的装置。老人跌倒监测定位装置实时对老人姿态变化进行监测，当老人发生跌倒或者遭遇其他意外危险时，监测装置报警并通过内置的GSM /3G通信模块和全球定位模块( GPS)，将所在的位置信息以短信形式，发送给预设的家人或社区服务站手机终端，还可通过移动通信的语音通信功能，进行状态确认和语音救助指导。对坐、站、步行等状态下及俯卧、左右侧卧等姿态下的数据进行了采集处理，结果表明装置能正确监控并报警，同时可将定位信息发送到预设的手机上。

关键词:跌倒监测;卫星定位;三轴加速度计

0引言

现如今，中国逐渐步入老龄化社会，据老年健康社会问题专家介绍，行动跌倒是危害老年人健康的第一杀手[1-5]。跌倒是指人体失去正常姿势，意外地跌落在地面或较低的平面上，由于不少老年人患有骨质疏松等疾病，他们跌倒后约有十分之一的人会受到严重伤害，如头部损伤、髋关节骨折等，由此造成的卧床不起会给老年人及其家人带来巨大的身心痛苦。而且，老年人出现意外生命危险情况下的第一特征，例如心脏病猝发等，往往也表现为行动跌倒等。

目前国内非常重视老年人健康问题，也有一些监测老人心脏等产品，但关于老人跌倒状态检测的研究还比较少，提出一种人体姿态实时监测装置方案，老人佩戴此装置，在发生跌倒意外危险时，可将老人位置信息实时发送给家人或社区服务站手机终端，使老人在第一时间得到救治。

1总体设计

本文的跌倒监测装置主要包括4个功能:实时监测身体状态、位置定位、报警和信息发送四大功能。该装置由姿态监测模块、GPS定位模块、GSM通信模块、微处理模块、报警模块和电源等6个模块组成。

该装置采用电池作为电源，加电工作以后，微处理器开始实时监测三轴加速度计的输出信息，并且判断是否出现跌倒状态，当监测到跌倒状态的信息或者检测到报警/取消报警按钮按下时，装置通过声光报警指示模块(由蜂鸣器和发光二极管组成)发出声音和光的报警信息，提醒用户所携带的装置检测到发生危险，如果是装置检测错误或者用户误触报警按钮，可在20 s内按下取消报警按钮，则装置重新检测用户的状态信息，如果没有及时按下取消报警按钮，装置则将GPS定位模块获得位置信息，连同预设危险报警信息通过GSM通信控制模块以短信的形式发送至预设的接收手机上。

2姿态检测模块设计

人处于静止或水平匀速运动状态时，人体仅受重力作用，即Z轴方向的加速度为重力加速度为1 g，另外2个方向即X轴和Y轴上，受力或加速度为0。当人意外跌倒时，理想情况下Z轴分量由1 g变化为0，而另外2个轴X轴或Y轴的分量，则从0变化为最大( 1 g)。具体是X轴还是Y轴发生这一变化，则由人跌倒后的姿态决定———平卧为X轴变化，侧卧为Y轴变化;如果身体姿态介于平卧和侧卧之间，则X轴和Y轴的加速度分量将满足≈1 g(站立情况下这个矢量和为0)，可以通过计算分析得出与站立不同的加速度分布。

在实际应用中，老人的日常运动也不仅仅是静止和匀速直线运动，仅通过加速度分量的变化很难正确判断老人跌倒，可能产生误判或漏判。因此，需建立人体跌倒过程的运动模型，提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数，是准确检测跌倒并发布报警信息的关键之一。

监测跌倒状态可采用传感器、三轴陀螺仪和三轴加速度计来完成，具体使用哪种方案主要根据装置的开发成本及开发难度等多因素进行综合考虑。本文采用三轴加速度计进行姿态检测。

2．1跌倒状态信号特点

人体通常跌倒的姿态主要有:向前趴下、前跪下、向后躺下、向后坐下、向左倒下和向右倒下等几种形式。跌倒一般是一种意外、非故意情况下的身体姿态的突然变化，而致使身体失去平衡。据有关资料说明，这种倒下动作需在300～400 ms的时间内，由身体运动产生的矫正力矩去适应性的恢复平衡，若不能，则会产生跌倒;且随着老年人年龄的增高，反应变缓、肌力下降，需要更长的时间才能产生恢复力矩。

跌倒发生前，不论是站立还是坐着，躯干都是近乎垂直于地面的，将三轴加速度计以人体躯干方向为Z轴，人体两侧方向为Y轴，人体前后方向为X轴的形式固定在人体腰部，人跌倒前在受到重力作用的影响下Z轴方向加速度值应为1 g，其余2个方向的加速度值近乎为0，当发生跌倒时，X轴或Y轴加速度值会突然增大，倒在地上瞬间，X轴或Y轴的加速度值再出现突然增大，而后因人体完全接触地面，在重力加速度的作用下，X轴或Y轴输出的加速度值会维持在1 g左右，其余2个方向的加速度值近乎为0。

2．2跌倒姿态检测算法设计

一次典型的跌倒通常包括失重、撞击、静止以及最终形成与初始状态不同的身体状态4个过程[1]，因此，通常判断是否跌倒的算法是:当人体各方向上的加速度矢量发生变化，通过预先设定合适的阈值，当判断到某方向的加速度矢量或合加速度值超过阈值时，即可判定是否发生跌倒[6-9]。

老年人跌倒过程实验研究表明，2种方式可判别发生跌倒:①通过建立人体三个坐标轴上的加速度计输出值，求均方根进行阈值判决，即该值大于约2 g时，可认为跌倒发生;②人体跌倒过程是在1～2 s时间内完成的，通过时间窗口提取三轴加速度Z轴方向上分量，出现至少连续2次脉冲信号，且该脉冲的峰值超过已定的阈值l．89 g，可认为是跌倒发生。综合老人倒地过程特点及具体使用中人们对老人倒地报警实时性的要求等方面因素，采用跌倒判定算法如图1所示。

图1跌倒判定算法流程图

2．3跌倒状态监测电路的设计

电路设计是参考MMA7260数据手册中的典型应用设计的，芯片的MMA7260的Xout、Yout和Zout分别于单片机的A/D输入接口连接，单片机根据采集到各个方向的加速度值变化情况，判断人体是否发生了跌倒。

芯片的g-select1和g-select2直接与单片机的I/ O接口相连接，通过逻辑输出控制芯片的加速度量程，g-select1与g-select2的输出为00的加速度量程为±1．5 g，输出为10的加速度量程为±2 g，输出为01的加速度量程为±4 g，输出为11的加速度量程为±6 g。

芯片的sleep引脚用于控制休眠，设计中直接与单片机的I/O引脚连接，当单片机的I/O引脚输出低平信号时，则芯片处于休眠模式，系统设计中没有利用这一功能，本可以直接连接VDD，但是考虑系统将来可能做扩展，并且单片机引脚也足够使用，故将单片机引脚一直置高，使芯片一直保持工作状态。

3定位功能设计

采用卫星定位和蜂窝基站混合方式进行定位，卫星定位就是利用卫星对地面的终端进行定位，具有定位精度高的优点，终端模块比较丰富，实现起来较容易，美国的GPS定位系统具有代表性，但是它的缺点是搜索卫星速度比较慢，可能因为受到高大建筑物的影响而无法完成定位。

蜂窝基站定位:所谓“蜂窝”即是一个地理区域被分成的若干个小区，当移动终端通信时，实际上就是通过某一个蜂窝基站接入网络，然后通过网络进行数据(语音数据、文本数据和多媒体数据等)传输的，也就是说在通信时，总是需要和某一个蜂窝基站连接的，或者说是处于某一个蜂窝小区中的，那么这样就完成了蜂窝基站定位，其优点是定位速度快、室内可用等优点，缺点是定位精度低。采用混合方式以发挥各自的优点，规避各自的缺点。

3．1 GPS模块电路设计

全球定位系统( Global Positioning System，GPS)，由24颗卫星组成( 21颗工作卫星; 3颗备用卫星)，它位于距地表20 200 km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。

用户设备部分即GPS信号接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度和时间等信息。

GPS模块对外采用的是串口输出，直接与单片机的串口相连接，加电以后自动搜索卫星进行定位，单片机通过接收模块将位置信息进行传输。

3．2 GSM通信模块电路设计

GSM是当前应用非常广泛的通信制式，移动和联通的2G网络均采用该制式。本设计目前只用到了短信功能，采用的是集成的SIM900模块，该模块将GSM相关的电路、协议等都已经完全集成好，只需通过标准的AT命令就可以实现收发短信功能。

GSM通信模块与GPS模块一样，也是通过串口与单片机相连接，当系统需要对外发送短信时，单片机控制该模块利用移动网络将报警信息发送至预设的接收手机上。

4实验结果与分析

对人体姿态、跌倒、手动报警等功能进行了验证实验，主要包括:

①坐、站、步行等状态下，三轴加速度数据的采集与处理;②俯卧、左侧卧、右侧卧等姿态下的数据采集;③手动报警试验等。

实验证明:当人体发生跌倒时，通常情况下装置可以准确监测，并完成报警。但是对于很小幅度的跌倒或者极为缓慢的跌倒时可能会产生漏报。当进行散步或慢跑等小运动量活动时，装置不会发生误判，而当加速跑、跳跃时，装置还是存在一定误报可能，当存在漏报和误报时，可采用手动报警/取消报警功能，作为补充方案。

5结束语

本设计是利用三轴加速度计、GPS定位模块、GSM模块以及单片机等模块构成系统硬件，采用软件算法进行老人跌倒姿态监测，同时通过短信形式将定位信息发送给预先设置的接收手机上，通过实验表明该装置在通常情况下能正确完成监测、报警及定位功能。但对于有些状态，还存在漏报、错报的可能，目前存在的问题，有待于进一步改进硬件设计和软件算法来解决。未来还可以增加心肺及体温等检测功能，以便更加完善老人的健康检测。

参考文献

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Research on Tumble Monitoring Positioning Device for Elderly People

LIU Xin-ran

( Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract:When the old man falls down or is in danger，if he is not taken a cure in time，it is likely to result in paralysis or death．In view of this situation，this paper puts forward the monitoring and alarm device for elderly people by using three-axis accelerometer．This device can monitor in real time the posture change of old man，send out the alarm and transmit the location information to the handset terminal of family or community service station through built-in GSM/3G communication module and GPS．The situation identification and voice rescue guidance are implemented through mobile voice communication function．The data collection is performed for sitting，standing，walking，left or right sidelying，etc．The results show that this device can correctly performed monitoring and alarm，and transmit the location information to the preset handset．

Key words:tumble monitoring; GPS positioning;three-axis accelerometer

作者简介:刘欣然( 1996—)，女，大二学生，主要研究方向:电子信息工程。

收稿日期:2015-07-09

中图分类号:TN965．3

文献标识码:A

文章编号:1003-3114( 2016) 01-82-4