基于九軸傳感器的人體異常行為檢測(cè)

彭偉，肖雅萍，王世飛，高莉

（江蘇師范大學(xué)自動(dòng)化系，徐州221116）

0 引言

隨著中國人口老齡化進(jìn)程的加快，銀發(fā)經(jīng)濟(jì)也成為市場經(jīng)濟(jì)里不可忽略的一部分?，F(xiàn)階段老年產(chǎn)業(yè)市場存在產(chǎn)品品種稀少、功能單一等問題。而現(xiàn)如今人工智能的飛速發(fā)展為提升老人生活質(zhì)量與幸福指數(shù)提供了一條新的選擇。人工智能被廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，智能家居養(yǎng)老系統(tǒng)的發(fā)展也漸漸提上日程。老齡人口的不斷增長，獨(dú)居老人規(guī)模的不斷擴(kuò)大，如何解決獨(dú)居老人的居家安全問題也同時(shí)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。而作為老年群體自身行動(dòng)多有不便，出現(xiàn)異常行為、心率失常[1]等情況。因而如何落實(shí)讓所有老年人老有所樂、老有所安，已成為社會(huì)亟需解決的問題[2]。

為了解決上述問題，幫助獨(dú)居老人降低生活環(huán)境周邊的危險(xiǎn)系數(shù)，減少財(cái)產(chǎn)損失，提高老年人晚年生活舒適程度和幸福指數(shù)，本系統(tǒng)旨在通過內(nèi)外雙重保障很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)居老人居家環(huán)境以及生理機(jī)能的檢測(cè)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括以及心率、體表溫度、人體異常行為識(shí)別等多個(gè)方面[3-5]。系統(tǒng)通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的檢測(cè)及后期數(shù)據(jù)的采集對(duì)比分析來判斷老人的具體情況。與此同時(shí)所有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)分析下來的詳細(xì)數(shù)據(jù)以及定位信息將被發(fā)送至相關(guān)人員的移動(dòng)設(shè)備上。

1 整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由控制器、異常行為識(shí)別模塊、定位模塊、健康檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、居家檢測(cè)模塊和電源管理構(gòu)成[6]。

本系統(tǒng)主要解決老年人獨(dú)自一個(gè)人外出、在家里出現(xiàn)突發(fā)狀況。利用三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)傳感器負(fù)責(zé)采集人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，通過相應(yīng)的跌倒算法處理，來判斷是否出現(xiàn)意外跌倒等狀況[7-8]；健康檢測(cè)模塊由心率傳感器和人體體表溫度傳感器組成，該模塊旨在時(shí)刻檢測(cè)老年人人體機(jī)能的數(shù)據(jù)，控制器也將實(shí)時(shí)接收該模塊傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)；定位模塊通過借助GPS進(jìn)行初步定位，再借助于三軸磁力計(jì)傳感器進(jìn)行輔助定位，提供實(shí)時(shí)位置；報(bào)警模塊采用聲光報(bào)警器與GSM相結(jié)合，再出現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)通過發(fā)送短信給相關(guān)人員報(bào)告當(dāng)事人信息；居家檢測(cè)模塊主要采集環(huán)境溫度、煙霧和防盜檢測(cè)，提供一個(gè)安全舒適的居住環(huán)境；電源管理模塊負(fù)責(zé)各個(gè)模塊電能供應(yīng)。

圖1系統(tǒng)整體框架圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 控制器

核心控制單元的微處理器選用32位RAM系列Cortex-M4核心的STM32F407作為控制器，具有高速率、低功耗、AHB/APB、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)定的工作頻率為168MHz，其外設(shè)豐富可以滿足本系統(tǒng)所需的外圍設(shè)備，多余接口預(yù)留為后期功能擴(kuò)展提供保障。單元實(shí)時(shí)檢測(cè)利用STM32F407的IIC_SCL、IIC_SDA、TX、RX、CSL和SDA采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。以STM32控制器外設(shè)非常豐富，大大滿足了本系統(tǒng)所需的外圍設(shè)備，并且功耗低，性能高，能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以選擇該芯片為中央處理器。

2. 2 異常行為識(shí)別模塊

本系統(tǒng)采用了九軸傳感器MPU9250[9]，具有三個(gè)16位加速度AD輸出，三個(gè)16位陀螺儀AD輸出，三個(gè)6位的磁力計(jì)AD輸出。該芯片具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，體積小等優(yōu)點(diǎn)。利用虛擬IIC采集人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)時(shí)采用九軸中的加速度和陀螺儀[10]考慮到參數(shù)變化的隨時(shí)、隨機(jī)性，設(shè)定人體的重心為佩戴點(diǎn)，由此建立空間坐標(biāo)系來采集人體在三個(gè)方向的數(shù)據(jù)變化，通過采集分析的數(shù)據(jù)瞬態(tài)變化量，由此來判斷人體所處狀態(tài)[11]。

圖2

2. 3 定位模塊

本設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)采用SIM900A+三軸磁力計(jì)組合定位。原有的GPS定位系統(tǒng)不能適應(yīng)例如屋內(nèi)的密閉空間[12-13]，且目前民用GPS技術(shù)存在定位精度不高等問題。利用SIM900A里面的頻道GPRS實(shí)現(xiàn)定位很好解決了上述問題。該模塊解決了密閉空間不能定位的問題，利用三軸磁力計(jì)進(jìn)行輔助定位[14]，能實(shí)現(xiàn)立體空間定位。

2. 4 健康檢測(cè)模塊

人體檢測(cè)模塊主要借助于MAX30100+IR溫度傳感器實(shí)現(xiàn)[15]。該模塊具有檢測(cè)心率變化，分析血壓的壓動(dòng)信號(hào)、血氧脈搏信號(hào)等功能，IR主要用于檢測(cè)人體體表溫度。鑒于每個(gè)人的皮膚厚度不同，需要通過調(diào)試來調(diào)整LED電流從而提高該模塊的靈敏度，很大程度上提高了檢測(cè)效果。

圖3

圖4

2. 5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要由SIM900A（GSM）[16-17]+實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。在出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，控制器將所采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送給存儲(chǔ)的預(yù)定聯(lián)系人。系統(tǒng)數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換的同時(shí)，控制器會(huì)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并最終以短消息形式發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)。相應(yīng)的聲光報(bào)警會(huì)發(fā)出警報(bào)聲響和燈光閃爍標(biāo)識(shí)最大程度吸引周邊人員的注意，為緊急救援提供了另一有效保障。

2. 6 電池管理模塊

該系統(tǒng)需要良好的便攜特性，其需要通過獨(dú)立、專門的電源給予支持。該電源主要性能包括使用壽命長、安全性能好、模塊體積小、自供電穩(wěn)定、自放電較小等?；谏鲜鲆?，本電源采用TP4056芯片，該芯片兼有電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖設(shè)置、自動(dòng)再充電設(shè)置以及雙引腳LED顯示充電、結(jié)束兩個(gè)狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。電池選擇使用最廣泛的具有高電容量、小體積、高質(zhì)量、優(yōu)性能的鋰電池。

圖5系統(tǒng)軟件程序框圖

2. 7 居家監(jiān)測(cè)模塊

該模塊主要由煙霧傳感器（MQ-135，MQ-2）和環(huán)境溫度傳感器組成，用于檢測(cè)空氣濕度、室內(nèi)溫度、煤氣煙霧、火勢(shì)火情等諸多檢測(cè)點(diǎn)。本模塊旨在保障獨(dú)居老人居家環(huán)境安全。

3 軟件設(shè)計(jì)

3. 1 系統(tǒng)軟件程序框架

系統(tǒng)軟件程序流程如圖5所示，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在上電后，對(duì)所有模塊進(jìn)行初始化，各個(gè)模塊采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，交由單片機(jī)處理。

人體姿態(tài)檢測(cè)到數(shù)據(jù)，通過虛擬I2C將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過前面編程預(yù)先輸入的算法公式進(jìn)行計(jì)算，求出相應(yīng)的值，在圖示化界面觀察值突變，突變的值就會(huì)伴隨異常行為的發(fā)生，利用該值代入預(yù)先范圍值進(jìn)行判斷，并由此判斷是否報(bào)警。心率、溫度檢測(cè)時(shí)，利用自身芯片轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)值再發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)只需簡單處理該值，將值進(jìn)行下一步深化，在進(jìn)行報(bào)警處理。若出現(xiàn)異常行為（跌倒、溫度低）等信號(hào)，設(shè)備馬上啟動(dòng)定位模塊，計(jì)算出該地址的經(jīng)度、緯度、高度。若用戶十秒之內(nèi)沒有通過按鍵關(guān)閉報(bào)警處理，該數(shù)據(jù)通過單片機(jī)觸發(fā)GSM，將短消息發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，并且觸發(fā)聲光報(bào)警模塊。如無相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，各個(gè)模塊繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

3. 2 異常行為設(shè)別模塊數(shù)據(jù)分析

在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到參數(shù)變化的隨時(shí)、隨機(jī)性，設(shè)定人體的重心為佩戴點(diǎn)，由此建立空間坐標(biāo)系來采集人體在三個(gè)方向的數(shù)據(jù)變化，通過采集分析的數(shù)據(jù)瞬態(tài)變化量，由此來判斷人體所處狀態(tài)。

通過采集的數(shù)據(jù)，將三個(gè)方向的值合成一個(gè)值來表示，檢測(cè)人體跌倒、下蹲、站立和行走過程主中，在某一個(gè)時(shí)刻合成值出現(xiàn)突變，通過對(duì)突變值的分析，判斷人體是否出現(xiàn)跌倒、下蹲等情況[18-19]。圖6是通過MATLAB輔助處理數(shù)據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)圖，該圖表示人體不同情況下的行為信息。

圖6姿態(tài)識(shí)別仿真圖

3. 3 健康檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)分析

該項(xiàng)檢測(cè)溫度和心率兩項(xiàng)值。溫度檢測(cè)人體體表溫度，溫度出現(xiàn)高于正常值也會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置。心率傳感器主要檢查心率異常等情況其中B表示心率，Q表示兩個(gè)脈搏波的中間值，心率計(jì)算如下：

wr_max30100_one_data（0xae，0x09，0x66）;

delayms（50）;//等待溫度轉(zhuǎn)化

rd_max30100_one_data（0xae，0x16）;

//讀出溫度信號(hào)

printf（"temp1=%d "，rda）;

temp1=rda;

rd_max30100_one_data（0xae，0x17）;//讀出溫度小數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)

printf（"temp2=%d "，rda）;

temp2=rda;

temp=temp1+（temp2*0.0625）;//計(jì)算溫度小數(shù)部分最小溫度值

圖7

float getPos（）{

float scalar=sw/sw;//（sw-sh/2）;

float ratio=（pos-（x-sw/2））*scalar;

float p=minVal+（ratio/sw*（maxVal-minVal））;return p;}

3. 4 報(bào)警模塊分析

在出現(xiàn)緊急狀況下，處理器將采集所得的信息交由控制器處理，并判斷是否出異常行為、溫度過高、心率失常等情況，處理器將信息通過SIM900A處理，將信息發(fā)送到預(yù)置手機(jī)上，以達(dá)到報(bào)警效果。

圖8健康檢測(cè)模塊圖

圖9報(bào)警短信圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的是一款基于九軸傳感器的人體異常行為檢測(cè)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)空間立體定位、快速檢測(cè)并判斷人體異常情況，并將異常情況和地理位置發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)救治。經(jīng)過試驗(yàn)，該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下能準(zhǔn)確檢測(cè)老年人異常情況，并能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位空間高度，本系統(tǒng)為老年人異常行為檢測(cè)的研究貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。