基于慣性傳感的穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)

姚 冕馬英楠高 星靳宗振李慧奇寧運(yùn)琨趙國如

1（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢 430000）2（北京城市系統(tǒng)工程研究中心 北京 100035）3（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）

基于慣性傳感的穿戴式跌倒預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)

姚 冕1，3馬英楠2高 星2靳宗振2李慧奇3寧運(yùn)琨3趙國如3

1（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢 430000）2（北京城市系統(tǒng)工程研究中心 北京 100035）3（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）

針對老人跌倒傷害預(yù)防的社會難題，設(shè)計(jì)了一種穿戴式跌倒預(yù)警和防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括跌倒預(yù)警器、安全氣囊裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺和監(jiān)護(hù)人手機(jī)應(yīng)用程序。當(dāng)?shù)拱l(fā)生時(shí)，跌倒預(yù)警器會觸發(fā)安全氣囊快速充氣，以減少老人跌倒后所受到的損傷。老人倒地后，跌倒預(yù)警器會報(bào)警，并發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人求助。同時(shí)，跌倒過程人體運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)會發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺，并顯示跌倒事件發(fā)生的位置。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該跌倒預(yù)警和防護(hù)系統(tǒng)功能的可靠性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地檢測跌倒，完成跌倒預(yù)警報(bào)警、氣囊快速充氣、數(shù)據(jù)傳輸和存儲、監(jiān)控平臺實(shí)時(shí)定位等一系列功能，對減少老年人跌倒的直接損傷和縮短救助老人的時(shí)間有一定幫助。

跌倒預(yù)警；防護(hù)氣囊；慣性傳感器；短信求助；實(shí)時(shí)定位

1 引 言

隨著全球老齡化的加劇和老年人口的增多，老年人的身心健康問題成為我們亟需關(guān)注的問題。因身體機(jī)能下降等原因，老年人發(fā)生跌倒的概率非常高。據(jù)估計(jì)，每年約有 1/3 的 65 歲以上老年人發(fā)生過跌倒［1-3］，而且比例隨著年齡增長而增加。相關(guān)資料表明，很多因跌倒造成的死亡并非直接源自跌倒本身，而是在跌倒后沒有得到及時(shí)救治造成的［4］。針對老年人易跌倒的情況，除了事先預(yù)防，更重要的是盡可能地減少跌倒損傷，并且在跌倒后及時(shí)通知家人或監(jiān)控中心從而縮短救助時(shí)間。

近年來，許多學(xué)者對跌倒預(yù)警和報(bào)警進(jìn)行了研究，一般有三種方式：基于視頻的，基于環(huán)境的，基于可穿戴設(shè)備的［5］。其中基于視頻的方法容易侵犯用戶隱私；基于環(huán)境的方法設(shè)備不易安裝；而基于可穿戴設(shè)備的方法，方便可行成本低，能夠保持較高的準(zhǔn)確性，具有更廣闊的應(yīng)用前景［6］。

以往的老人跌倒相關(guān)的可穿戴設(shè)備或只有報(bào)警求助功能，或只具備跌倒傷害的防護(hù)功能［7］，而本文設(shè)計(jì)的一套跌倒預(yù)警和防護(hù)系統(tǒng)旨在全方位解決老年人跌倒的一系列問題。在老人做可能導(dǎo)致跌倒的危險(xiǎn)動作時(shí)進(jìn)行預(yù)警，通過微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）慣性傳感器獲得人體三軸加速度、三軸姿態(tài)角的運(yùn)動學(xué)信息并運(yùn)用跌倒檢測算法檢測出跌倒；在人體跌倒時(shí)啟動安全氣囊保護(hù)跌倒最易受到傷害的髖部，同時(shí)報(bào)警并發(fā)送信息給監(jiān)護(hù)人；跌倒前后的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)信息也將發(fā)送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，可供跌倒算法的處理和分析，傳感器中的 GPRS 模塊會傳遞位置信息到監(jiān)控中心并在地圖中顯示出來。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)跌倒預(yù)警和防護(hù)系統(tǒng)主要由跌倒預(yù)警器、防護(hù)氣囊、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺和監(jiān)護(hù)人手機(jī)組成，如圖 1 所示。跌倒預(yù)警器和防護(hù)氣囊集成在一個(gè)可穿戴的腰帶上，如圖 2 所示。

圖1 跌倒預(yù)警與防護(hù)系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the early fall warning and protection system

圖2 跌倒預(yù)警與防護(hù)腰帶Fig. 2 The early fall warning and protection belt

2.1 跌倒預(yù)警器設(shè)計(jì)

跌倒預(yù)警器是系統(tǒng)的核心部分，其系統(tǒng)框圖如圖 3 所示，實(shí)物如圖 4 所示。

圖3 跌倒預(yù)警器系統(tǒng)框圖Fig. 3 Block diagram of the early fall alarm

圖4 跌倒預(yù)警器實(shí)物圖Fig. 4 Picture of real early fall alarm

跌倒預(yù)警器主要由以下幾個(gè)模塊組成：

（1）微控制器模塊：微控制器是整個(gè)預(yù)警器的核心，具有實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)南到y(tǒng)功能［8］。本設(shè)計(jì)中采用了基于 32 位 ARM Cortex-M4 內(nèi)核的 STM32 F405RG 作為微控制器，采用自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲器加速器（Adaptive Real-Time Memory Accelerator，ART）技術(shù)，集成了單周器 DSP 指令和 FPU（浮點(diǎn)單元），時(shí)鐘頻率高達(dá) 168 MHz，1 MB 的閃存，192 KB 的 SRAM 包含 64 KB 的數(shù)據(jù)內(nèi)存；含有 14 個(gè)定時(shí)器，包括 2 個(gè)高級控制定時(shí)器、8 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)基本定時(shí)器和 2個(gè)看門狗定時(shí)器；包含 3 個(gè) SPI、3 個(gè) I2C、4 個(gè)USART 和 2 個(gè) UART。

（2）傳感器模塊：該傳感器可以采集人體的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)，具有九軸數(shù)據(jù)融合功能，能夠提供多個(gè)非慣性數(shù)字傳感器接口，使得多參數(shù)多模態(tài)監(jiān)測成為可能。采用的 MEMS 慣性傳感器為MPU9150，它是 InvenSense 公司提供的世界首款九軸集成型運(yùn)動追蹤器件，整合了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)，輸出精度分別為16 bit、16 bit、13 bit。加速度可選的滿量程范圍有±2 g、±4 g、±8 g 和±16 g；陀螺儀可選的滿量程有±250°/sec，±500°/sec，±1 000°/sec 和±2 000°/sec；磁力計(jì)的為±1 200 μT。相對于采用分立器件，MPU9150 減少了占用空間，降低了成本。封裝尺寸為 4 mm×4 mm×1 mm，體積小，噪音低，性能高，滿足便攜式設(shè)備的要求。

（3）GPS 模塊：選用了 UBLOX 公司性價(jià)比較高的 NE0-6M-0-001GPS 模塊，體積小，靈敏度高，含有 50 個(gè)通道的 u-blox 引擎，可同時(shí)追蹤多達(dá) 50 顆衛(wèi)星，熱啟動和輔助啟動首次定位時(shí)間小于 1 s［9］，并擁有 UART、SPI、USB 等接口，方便與微控制器建立連接。該模塊供電電壓設(shè)為 3 V，上電后， GPS 模塊通過串口 UART1 與 MCU 通訊，兩者的 TXD 和 RXD 引腳交叉相連即可。

（4）GPRS 模塊：采用內(nèi)嵌有 TCP/IP 協(xié)議的SIM900 作為 GPRS 模塊，該模塊是 SIMCOM推出的一款新型無線四頻 GSM/GPRS 模塊，功耗低，在待機(jī)模式下功耗只有 1.0 mA；采用ARM926EJ-S 架構(gòu)，性能強(qiáng)大；支持標(biāo)準(zhǔn)的 AT命令并帶有基站定位功能。SIM900 模塊通過UART0 接收 MCU 發(fā)送的 AT 指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一系列的功能，兩者的 TXD 和 RXD 引腳交叉相連即可［10］。

跌倒預(yù)警器內(nèi)置蜂鳴器、振動器和三色（青、藍(lán)、紅）LED 燈。其中蜂鳴器可以用來預(yù)警，當(dāng)人體姿態(tài)向前、后、左、右傾斜的角度超過 40°，蜂鳴器就會按照一定頻率連續(xù)地響，同時(shí)用紅燈和藍(lán)燈來區(qū)分是往前后方向還是往左右方向傾斜。當(dāng)加速度和傾斜角均超過一定閾值時(shí)，就判斷為跌倒，此時(shí)，青燈長亮、蜂鳴器長鳴。如果在設(shè)定的時(shí)間（8 s）內(nèi)，用戶沒有按下解除報(bào)警鍵，那么將給監(jiān)護(hù)人發(fā)送報(bào)警短信，告知發(fā)生跌倒，并且在判定跌倒的同時(shí)，預(yù)警器會觸發(fā)防護(hù)氣囊系統(tǒng)啟動以保護(hù)用戶。

跌倒預(yù)警器內(nèi)置了復(fù)雜的狀態(tài)信息提醒和命令操作功能，通過 USB 接口可以控制預(yù)警器的工作模式（實(shí)時(shí)運(yùn)動監(jiān)測模式、遠(yuǎn)程定位和跟蹤模式、跌倒關(guān)鍵數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)上傳模式），控制 TF 卡的讀寫，連接和斷開服務(wù)器、重啟 GPRS 模塊等。

在實(shí)時(shí)運(yùn)動檢測模式下，跌倒預(yù)警器把實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)存儲到 TF 卡；在遠(yuǎn)程定位和跟蹤模式下，跌倒預(yù)警器會把日常生活運(yùn)動軌跡和運(yùn)動參數(shù)等數(shù)據(jù)存到 TF 卡；在數(shù)據(jù)上傳模式下，跌倒前后幾秒鐘的運(yùn)動數(shù)據(jù)、定位信息、用戶信息、電壓值等通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控平臺服務(wù)器，發(fā)生跌倒時(shí)，數(shù)據(jù)上傳模式會自動開啟。

跌倒預(yù)警器實(shí)現(xiàn)了三種命令和數(shù)據(jù)傳輸接口，分別是預(yù)警器端的 USB 接口、監(jiān)護(hù)人端的短信接口和服務(wù)器端的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)接口。在獲得權(quán)限的情況下，可以對預(yù)警器進(jìn)行全方位的操控。

2.2 防護(hù)氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣囊系統(tǒng)要滿足安全可靠，便于攜帶，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的條件，才能真正用于有跌倒風(fēng)險(xiǎn)的老年人身上，才能據(jù)市場需求進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，給老年人帶來福音。

本文設(shè)計(jì)的防護(hù)氣囊系統(tǒng)主要由氣源、放氣機(jī)構(gòu)、三通接頭和氣囊構(gòu)成，各部分之間由聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）氣管連接，如圖5 所示。氣源儲存了一定體積的壓縮氣體，放氣機(jī)構(gòu)在收到放氣信號后能夠在極短時(shí)間內(nèi)把氣源里的氣體通過三通接頭充入兩個(gè)氣囊。

圖5 防護(hù)氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig. 5 Block diagram of protection airbag system design

本設(shè)計(jì)選用了 16 g 二氧化碳（CO2）氣瓶作為氣源。CO2本身是惰性氣體，不可燃不易爆，相對安全。該氣瓶是將 CO2經(jīng)過精制、壓縮、冷卻液化、灌裝而制成的，在救生衣、啤酒機(jī)、便攜式氣筒等設(shè)備上已有廣泛應(yīng)用，市場上容易購買。同時(shí)，16 g CO2氣瓶還能滿足壓力大、放氣快，氣量合適的特點(diǎn)，可作為防護(hù)氣囊系統(tǒng)的氣源［11］。

放氣裝置由電動舵機(jī)控制，該裝置主要由接頭、底座、刺針、連接桿、復(fù)位彈簧、電動舵機(jī)構(gòu)成。當(dāng)電動舵機(jī)收到微處理器發(fā)出的電信號后立即轉(zhuǎn)動舵機(jī)搖臂，并帶動直線連桿和凸輪連桿從而推動刺針在空腔內(nèi)直線前進(jìn)，同時(shí)壓縮復(fù)位彈簧，當(dāng)刺針前進(jìn)到一定距離后就能刺破壓縮氣瓶瓶口。而當(dāng)電動舵機(jī)轉(zhuǎn)動到一定角度后立即反向轉(zhuǎn)動，帶動舵機(jī)搖臂、直線連桿、凸輪連桿迅速返回到初始位置，此時(shí)刺針會在接頭內(nèi)部空腔的復(fù)位彈簧作用力下返回初始位置，氣體就可以從刺針刺破的瓶口快速放出，從而實(shí)現(xiàn)自動放氣［9］。該放氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖 6 所示，實(shí)物圖如圖 7 所示。

圖6 放氣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Structure chart of the air bleeder

圖7 放氣裝置實(shí)物圖Fig. 7 Picture of the real air bleeder

該設(shè)計(jì)的氣囊在不充氣時(shí)尺寸為 33 cm× 30 cm×0.3 cm，充滿氣體時(shí)尺寸約為 30 cm× 25 cm×12 cm，即最大充氣體積為約為 9 L，足夠儲存 16 g CO2（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積約為8.14 L）。測試結(jié)果表明觸發(fā)放氣裝置 300 ms 后氣囊完全展開，在 540 ms 時(shí)氣囊充滿。在 380 ms時(shí)氣囊已經(jīng)充入了超過 80% 的氣體，此時(shí)形成一個(gè)尺寸約 30 cm×26 cm×8 cm 的緩沖層，基本可以達(dá)到保護(hù)目的。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺設(shè)計(jì)

整個(gè)web 監(jiān)控平臺采用B/S 架構(gòu)，網(wǎng)站的瀏覽器端及后臺管理以 PHP 為開發(fā)語言、Apache為服務(wù)器、MySql 為存儲數(shù)據(jù)庫?；?PHP 的Web 遠(yuǎn)程監(jiān)測與定位系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖 8 所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺主要有以下功能：

（1） 接收和存儲跌倒預(yù)警器傳回的數(shù)據(jù)

圖8 監(jiān)控平臺架構(gòu)Fig. 8 Architecture of the monitoring platform

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺能通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)接收跌倒預(yù)警器按照約定的協(xié)議格式和固定時(shí)間間隔發(fā)回的 GPS 定位信息（主要是經(jīng)緯度、高度、速度、實(shí)時(shí)時(shí)間、方向信息），以及傳感器獲得的運(yùn)動監(jiān)測信息（如老年人的身體加速度、角速度信息，跌倒預(yù)警報(bào)警信息、緊急呼叫等）和基本數(shù)據(jù)信息（如終端編號、個(gè)人基本信息等）。收到數(shù)據(jù)包后，對包內(nèi)數(shù)據(jù)按照協(xié)議規(guī)定的格式進(jìn)行解析，并按照數(shù)據(jù)表和ER模型存儲到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

（2）向跌倒預(yù)警器和監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

監(jiān)控平臺可對跌倒預(yù)警器發(fā)送控制指令（如終端參數(shù)配置、終端某些功能的關(guān)閉和開啟），還可對監(jiān)護(hù)人手機(jī)進(jìn)行基于短信的各種信息推送，同時(shí)監(jiān)護(hù)人也可以登錄到監(jiān)控平臺下載用戶的跌倒信息、身體健康狀況和行蹤信息等數(shù)據(jù)。

（3）提供地圖服務(wù)

① 用戶位置實(shí)時(shí)定位：當(dāng)前位置信息主要有三種展現(xiàn)方式，一是在地圖上直接展現(xiàn)，標(biāo)注老年人當(dāng)前所處的位置；二是文字描述老年人當(dāng)前的位置信息；三是直接顯示老年人的經(jīng)緯度信息。所走過的 GPS 位置在地圖上通過一條軌跡連接起來，監(jiān)護(hù)人或者系統(tǒng)管理者可以根據(jù)用戶注冊信息獲取定位信息［12］。用戶位置實(shí)時(shí)定位圖如圖 9 所示。

② 用戶行蹤歷史軌跡回放：用戶或管理員登錄平臺選取所查詢終端軌跡的時(shí)間起止節(jié)點(diǎn)，平臺就向數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)請求，數(shù)據(jù)返回給平臺客戶端，用戶行蹤歷史軌跡信息便可在地圖上顯示出來?？紤]系統(tǒng)效率和實(shí)際工作管理要求，軌跡回放最長的時(shí)間間隔為 7 天。用戶歷史軌跡回放如圖 10 所示。

圖9 用戶位置實(shí)時(shí)定位圖Fig. 9 User's real-time location

圖10 用戶歷史軌跡回放圖Fig. 10 Replay of user's historical track

3 實(shí)驗(yàn)和算法設(shè)計(jì)

孫新香等［13］研究表明合加速度（Acc）能夠用來區(qū)分跌倒行為和日常行為。為了能夠?qū)崿F(xiàn)跌中防護(hù)，給安全氣囊展開留出時(shí)間，有必要提高檢測的靈敏度和特異度。本設(shè)計(jì)提出了基于姿態(tài)角、俯仰角（Pitch 角），并在俯仰角大于設(shè)定閾值的基礎(chǔ)上再判斷加速度的跌倒報(bào)警算法。計(jì)算公式如（1）所示：

其中，Acc_x、Acc_y、Acc_z 是三軸加速度計(jì)在x、y、z 軸三個(gè)軸向的輸出信號。

為了將跌倒與日常行為區(qū)別開來，由 8 名年齡在 23～26 歲的志愿者在實(shí)驗(yàn)室對老年人的行為進(jìn)行了模擬測試。實(shí)驗(yàn)時(shí)將該預(yù)警防護(hù)終端束在腰部（如圖 11 所示），執(zhí)行動作包括日常動作（如慢走、慢跑、上下樓梯、下蹲）和跌倒動作（如前向跌倒、后向跌倒、左向跌倒和右向跌倒）。上述行為各測試 3 次，合加速度與姿態(tài)角、俯仰角的測試結(jié)果分別如圖 12 和圖 13 所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)者佩戴跌倒預(yù)警與防護(hù)腰帶Fig. 11 Experimenter wearing fall warning and protective belt

圖12 日常動作時(shí)合加速度與姿態(tài)角數(shù)據(jù)曲線Fig. 12 Data curves of resultant acceleration and pitch angle of ADLs

通過分析圖 12 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行走、跑、上下樓梯和下蹲動作時(shí)，Pitch 角基本上無變化，在 0°左右有微小波動；當(dāng)彎腰撿東西時(shí)，姿態(tài)角雖有變化，但最大幅值為 18°，加速度的變化也比較??；除了下樓梯和劇烈動作跑時(shí)加速度變化比較劇烈，幅值在 2 g～4 g 變化外，其他基本在 1 g左右略微浮動。

通過圖 13 發(fā)現(xiàn)，四種跌倒動作的加速度最小值范圍分別為 0.076 3 g～0.15 g，0.08 g～2.6 g，0.09 g～1.7 g，0.78 g～0.14 g，加速度最大值變化范圍為 5.4 g～7.8 g。由圖 13（a）可知，當(dāng)加速度最小時(shí)，對應(yīng)俯仰角分別為：38.67°、43.45°、47.17°和 56.4°。

圖13 跌倒動作時(shí)合加速度與姿態(tài)角數(shù)據(jù)曲線Fig. 13 Data curves of resultant acceleration and pitch angle of falls

跌倒預(yù)警算法要考慮的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是跌倒預(yù)警時(shí)間［14］，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，可以采用基于加速度最小值或基于俯仰角的方法來進(jìn)行預(yù)警，后者可以獲得更長的預(yù)撞擊前置時(shí)間。

跌倒報(bào)警在檢測姿態(tài)角大于設(shè)定閾值的基礎(chǔ)上，再通過檢測合加速度的閾值來判定。由于該實(shí)驗(yàn)中青年人不能完全模擬老年人的跌倒行為，在實(shí)際應(yīng)用中可能需要根據(jù)個(gè)體差異進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以滿足不同個(gè)體、不同年齡段的用戶需要。

4 結(jié) 論

關(guān)于跌倒預(yù)警和防護(hù)方面，目前日本千葉大學(xué)田村等［15］設(shè)計(jì)了一種穿戴式人體保護(hù)氣囊裝置。該系統(tǒng)包括傳感器、CPU、電池、可充氣的氣袋、壓縮氣體和觸發(fā)機(jī)構(gòu)等。其中，氣袋可以保護(hù)頭部和髖部，尺寸為 470 mm×330 mm，容積為10 L，儲氣瓶是通過火藥來放氣。此系統(tǒng)能達(dá)到較好的防護(hù)效果，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較龐大，不易穿戴。

香港中文大學(xué)的研究人員也研究了一種髖骨保護(hù)氣囊系統(tǒng)［16］，包括傳感器、處理器、通訊模塊、放氣機(jī)械機(jī)構(gòu)、壓縮二氧化碳?xì)怏w和氣囊等模塊。氣囊充氣可以在 0.333 s 內(nèi)完成，整個(gè)過程從跌倒識別、機(jī)械機(jī)構(gòu)觸發(fā)到氣囊充入足夠氣體在 0.9 s 內(nèi)完成。此系統(tǒng)有較高的跌倒檢測率和較快的放氣速率，但沒有加入管理平臺、定位、數(shù)據(jù)存儲等功能模塊，功能相對單一。

本文提出的跌倒預(yù)警和防護(hù)系統(tǒng)主要由跌倒預(yù)警器、安全氣囊裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺和監(jiān)護(hù)人手機(jī)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單輕便，易于穿戴。通過采集人體運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行跌倒預(yù)警和報(bào)警，在跌倒時(shí)打開安全氣囊對人體進(jìn)行保護(hù)，在跌倒后將位置信息和跌倒前后運(yùn)動學(xué)信息上傳到服務(wù)器，并向監(jiān)護(hù)人手機(jī)或社區(qū)醫(yī)院及時(shí)發(fā)出求助請求，為老年人尤其是獨(dú)居老年人提供了全方位的、及時(shí)的跌倒報(bào)警和救助服務(wù)。

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A Wearable Pre-impact Fall Early Warning and Protection System
Based on Inertial Sensor

YAO Mian1，3MA Yingnan2GAO Xing2JIN Zongzhen2LI Huiqi3NING Yunkun3ZHAO Guoru3
1（ Department of Information Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China ）2（ Beijing Research Center of Urban System Engineering， Beijing 100035， China ）3（ Shenzhen Institutes of Advanced Technology， Chinese Academy of Sciences， Shenzhen 518055， China ）

Aimed at the fall issues of the aged， a wearable pre-impact fall early warning and protection system which consists of an early fall alarm， protection airbags， a remote monitoring platform and a guardian's smart phone application was developed. When fall happens， the early fall alarm triggerd airbag system， then airbags in belt inflated as soon as possible to reduce the damage to the aged. After the aged fall down， the early fallalarm rang and sent message to guardian for help. Meanwhile， the kinesiology data during falling time was sent to remote monitoring platform for storage， and falling location was showed in the electronic map. Finally， the reliability of this early fall alarm and protection system was verified. The results indecate that this system could detect falls accurately， accomplish a series functions such as early fall warning and alarm， airbag inflation， data transmission and storage and real-time location， which may be beneficial to reduce direct damage and shorten rescue time.

pre-impact fall early warning； protection airbags； inertial sensor； message for help； real-time location

R 318.08

A

2015-04-25

2015-07-10

國家自然科學(xué)基金（51105359， 61401454）；國家科技支撐計(jì)劃（2015BAI06B02）；國家863計(jì)劃（2012AA02A604）；廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2011S013 GIRTF-LCH-T）；國家科技重大專項(xiàng)新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)（2013ZX03005013）；廣東省科技計(jì)劃國際合作項(xiàng)目（2012B05020004）；北京市科學(xué)技術(shù)研究院市級財(cái)政（PXM2014178215000015）

姚冕，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⒉杉?、傳輸與處理；馬英楠，副研究員，研究方向?yàn)榘踩こ?、公共安全；高星，助理研究員，研究方向?yàn)榘踩こ?、公共安全；靳宗振，研究?shí)習(xí)員，研究方向?yàn)槔夏臧踩凸补芾?；李慧奇，工程師，研究方向?yàn)楦呔珳?zhǔn)人體運(yùn)動測試和低負(fù)荷運(yùn)動健康監(jiān)測；寧運(yùn)琨，工程師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動監(jiān)測與識別；趙國如（通訊作者），副研究員，研究方向?yàn)楦呔珳?zhǔn)人體運(yùn)動測試和低負(fù)荷運(yùn)動健康監(jiān)測，E-mail：gr.zhao@siat.ac.cn。