基于三軸加速度傳感器的老年人摔倒檢測算法的設計與實現(xiàn)

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(商洛學院 電子信息與電氣工程學院，商洛 726000)

0 引言

截至2017年底，我國60歲及以上老年人口有2.41億人，占總?cè)丝?7.3%，而且這個比例還將不斷攀升。目前我國養(yǎng)老服務機構(gòu)的現(xiàn)狀是低供給難以滿足高需求，據(jù)權(quán)威調(diào)查，養(yǎng)老機構(gòu)床位難求，加上子女工作經(jīng)歷有限，使老年人安全問題逐漸受到人們的關(guān)注。對滿足老年人需求的摔倒檢測裝置的設計與實現(xiàn)具有極大的現(xiàn)實意義，不僅有助于老年人生活品質(zhì)的提高，還有助于減輕社會和子女的壓力。

1 需求分析

目前的摔倒檢測技術(shù)的應用范圍較為受限，分為以視頻、聲學、加速度傳感器為基礎的三種摔倒檢測方法。其中通常只能在給定區(qū)域內(nèi)完成視頻摔倒檢測過程，實時性較差，使用范圍受限，隱私安全問題難以受到保護；聲學摔倒檢測方法通常只能作為檢測的輔助技術(shù)，原因在于其缺乏精度；而應用加速度傳感器技術(shù)的摔倒檢測系統(tǒng)可對人體活動進行實時監(jiān)測，并且不受地點范圍的約束，適用性較強，是目前用來檢測老年人摔倒的普遍用法，由于健康理念的提升和富足的時間，老年人的日常行為活動較多，某些部位會頻繁的變化，如大臂、手腕、膝關(guān)節(jié)、腳踝等，導致采集這些特征部位的數(shù)據(jù)雖容易但卻很難找到其中的規(guī)律，導致誤判率較高，降低了系統(tǒng)的準確性。為克服這些困難，本文的特征部位選用前軀胸腔，提高數(shù)據(jù)的規(guī)律性[1]。

2 老年人摔倒檢測系統(tǒng)及算法設計

2.1 系統(tǒng)設計原理

本文通過分解人體運動的過程，作為檢測老年人摔倒行為的基礎，人體運動雖然不確定性和復雜性程度較高，但是不同運動過程具有相應的特點。細分人體摔倒過程為平衡狀態(tài)、失去平衡、沖擊障礙物、倒地后恢復平衡幾個部分，所呈現(xiàn)出的運動學信息異于其它運動過程，可作為識別摔倒的有效依據(jù)[2]。本文將人體狀態(tài)用坐標定義，以胸腔部位作為特征部位建立Oxyz坐標系，如圖1所示。

圖1 三維右手直角系

為了不影響老年人的日?；顒?，檢測設備的設計遵循小巧、輕便的原則，主要佩戴于老年人身上，并且能夠長時間連續(xù)不間斷的工作，完成對老年人活動狀況長周期檢測，方便老人的使用。因此系統(tǒng)設計的另一個關(guān)鍵要求就是低功耗。為了協(xié)調(diào)好完善的系統(tǒng)功能與低功耗的矛盾關(guān)系，選擇的器件既要滿足摔倒檢測整體功能有要在使用性能上具備低功耗特點。

2.2 摔倒檢測算法設計

算法設計的基礎和重點在于人體日常動作與摔倒過程的加速度數(shù)據(jù)的獲取，然后通過數(shù)據(jù)的整合將最佳閾值點提取出來。通常人體處于失去平衡狀態(tài)時，向某一方向傾斜或傾倒，此時身體會偏離正常軌跡，對于老年人來說發(fā)生摔倒的概率就會較大，人體活動過程較為復雜，是許多連續(xù)動作相互作用的結(jié)果，本文將姿勢大體分為以下幾類，具體如圖2所示。

圖2 人體摔倒姿勢

老年人日?；顒又饕姓；顒訝顟B(tài)、加速行走、坐下及起立、下蹲及起立等過程。本文對下列9項動作過程進行仿真，包括摔倒動作(兩側(cè)摔倒；普通摔倒，動作相對劇烈導致一般嚴重的后果；干擾摔倒，遇到障礙物，過程波折且動作變緩，導致一般輕微的后果)與日常活動(下蹲及站起、坐下及站起、躺下及站起、上下樓梯、上下電梯、走路)[3]，采集各項動作過程的加速度數(shù)據(jù)。這其中的其中下蹲及站起、坐下及站起、躺下及站起三項動作，可導致三軸加速度的劇烈改變，在閾值判斷算法中是最強干擾項，因此增加這三組測試中的模擬次數(shù)，降低誤判的發(fā)生概率，具體可通過在測試中頻繁的嵌入相對劇烈的動作，找到加速度變化差異的規(guī)律性；第走路與上下電梯兩項運動較為平緩，測試緩慢情況即可。調(diào)查資料可知運動平穩(wěn)電梯的加速度值變化范圍在-0. 15-0.15 g內(nèi)；兩側(cè)摔倒后果通常也較為嚴重，與普通摔倒類似，通過不斷重復模擬測試，增加測試次數(shù)，進而可以在大量所得測試數(shù)據(jù)中找到變化規(guī)律；干擾跌倒過程雖不劇烈，但受干擾因素的影響，預測準確率比較低。具體如表1所示。

表1 各項動作模擬次數(shù)

關(guān)數(shù)據(jù)測量說明:適當減少權(quán)重較小動作的仿真組數(shù)，增多權(quán)重較大動作的仿真組數(shù)；各全程動作模擬所得數(shù)據(jù)會因人體各動作過程時間的不同而導致個數(shù)的不同。

2.3 模擬測試數(shù)據(jù)分析

通過分析具體數(shù)據(jù)，確定判斷摔倒的條件及閾值算法。處理完數(shù)據(jù)后，對加速度變化情況進行統(tǒng)計，列出各項結(jié)果如表2所示。

表2 加速度變化情況

綜合分析表中數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計學相關(guān)知識，得到合成加速度閾值點的上下限范圍為0.668-1.3 g，超過此范圍即可判定為摔倒情況發(fā)生。

3 老人摔倒檢測系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

為方便老年人使用并能夠?qū)θ梭w特征參數(shù)進行檢測，本文系統(tǒng)設計使用可穿戴式設備，便于攜帶。首要功能是采集和傳輸老年人活動的加速度數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)首要功能，硬件設計由采集加速度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理核心、無線通信和實時短信通知四個主要模塊組成，系統(tǒng)具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

采集加速度數(shù)據(jù)由三軸加速度傳感器實現(xiàn)，單片機接收并處理通過I2C 接口傳送的加速度數(shù)據(jù)，上位監(jiān)測平臺通過無線模塊接收到處理結(jié)果后，使用閾值判斷算法判斷出閾值，若判斷結(jié)果為摔倒則立即發(fā)出警報，啟動GPRS短信模塊將判斷結(jié)果以短信的方式發(fā)送給親屬或子女[4]。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1) 選擇與配置傳感器單元

依據(jù)人體正常行走與摔倒發(fā)生時，相應的加速度變化情況原理不同，本文三軸加速度傳感器選擇MMA8451Q，精度可選范圍為8-14位，使用I2C作為輸出口，量程覆蓋廣，包括-2—2 g、-4—4 g、-8—8 g，輸出數(shù)據(jù)速率范圍在1.6—800 Hz間，可檢測自由落體、振動、傾角等，啟動模式和休眠模式可以快速切換。

(2) 處理器核心單元

為滿足低功耗需求，本文摔倒檢測系統(tǒng)采用了MSP430系列的單片機(TI公司生產(chǎn))。其主要優(yōu)勢在于擁有豐富的外設接口，功耗低，應用范圍廣，適用于某些電池供電的智能傳感器及手持設備等。

(3) 無線通信模塊

為保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，本系統(tǒng)使用無線通信芯片NRF24L01模塊，內(nèi)部集成Enhanced Short Burst協(xié)議，調(diào)制方式采用FSK，可實現(xiàn)一對六或點對點，通信速度可達到2 Mbps。

(4) GPRS短信模塊

本系統(tǒng)通過GPRS無線模塊的植入，可實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)老人摔倒，一旦發(fā)現(xiàn)加速度超過預設閾值時，自動將老人摔倒情況及位置以短信的形式發(fā)送到指定人員的手機上，便于采取下一步急救措施。

3.2 軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)功能如下：監(jiān)控各單元的工作狀態(tài)，實時對異常情況進行分析和處理；完成X、Y、Z軸的加速度矢量的實時采集工作，傳輸數(shù)據(jù)至上位監(jiān)測平臺。實時三軸加速度數(shù)據(jù)的繪制及存儲在上位界面實現(xiàn)；根據(jù)閾值點算法判斷是否發(fā)生摔倒；摔倒發(fā)生后，實時在人機界面顯示并短信報警。

在IAR開發(fā)平臺下使用C語言編寫下位軟件程序;在VS平臺下使用VC++編寫上位軟件程序。軟件設計的工作流程圖如圖4所示。

4 實驗測試與結(jié)果分析

利用閾值點算法進行有效性測試，在人體胸腔位置處固定本實驗設備，設置加速度傳感器 量程范圍-4—4 g，模擬動作仍然是前文依據(jù)人體正常行為和摔倒行為劃分的9項，實驗結(jié)果如表3所示。

通過與理論數(shù)據(jù)對比，表明該系統(tǒng)的準確率較大。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)及算法的設計實現(xiàn)了預期的效果。在不同環(huán)境下存在難以預測的干擾因素會影響到傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理，一定程度上降低了實驗的準確性。

5 總結(jié)

本文完成了基于3軸加速度傳感器的老年人摔倒檢測系統(tǒng)及算法的設計，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計和軟件及算法設計，通過使用本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測老年人的活動情況，當人體的運動狀態(tài)改變時，通過摔倒檢測算法進行判斷摔倒是否發(fā)生，一旦發(fā)生則實時通過上位機界面發(fā)出警告，通過GPRS模塊發(fā)送求救短信給指定人員，方便親屬采取救助措施。通過實驗驗證該系統(tǒng)可有效檢測出摔倒情況的發(fā)生。

圖4 軟件工作流程圖

測量項目準確次數(shù)/測量次數(shù)下蹲站起95/100坐下站起90/100上下樓梯80/100走路100/100上下電梯50/50兩側(cè)跌倒175/186普通跌倒175/200干擾跌倒190/200躺下站起173/200