新型人體摔倒監(jiān)測(cè)儀研制

劉佳慶 徐善智 任家智 李思卜

【摘 要】 本文針對(duì)特需人群、老年人摔倒可能帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p傷的痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型人體摔倒檢測(cè)防護(hù)儀。本系統(tǒng)主要集成了摔倒動(dòng)作檢測(cè)模塊、人體心率實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、GPS北斗雙模定位模塊等。當(dāng)佩戴者出現(xiàn)摔倒動(dòng)作且無(wú)操作時(shí)，系統(tǒng)則判定為摔倒?fàn)顟B(tài)，此時(shí)系統(tǒng)控制蜂鳴器大聲報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，向監(jiān)護(hù)人推送通知;心率傳感器可以實(shí)時(shí)采集心率信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴者生理健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)已通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

【關(guān)鍵詞】 摔倒檢測(cè);加速度傳感器;GPS北斗雙模定位

【中圖分類號(hào)】 TP23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）04-0099-04

隨著我國(guó)人口老齡化加快，空巢和留守現(xiàn)象也越來(lái)越常見，老人摔倒后最容易出現(xiàn)的是骨折，骨骼移位，軟組織損傷。隨著年齡的增長(zhǎng)，常伴有骨質(zhì)疏松，身體機(jī)能衰退的情況，跌倒后出現(xiàn)骨折，骨骼異位的情況屢見不鮮見。也有一部分老人因?yàn)樗さ箷?huì)出現(xiàn)腦出血的癥狀，對(duì)身體健康造成一定的傷害。如果老年人在家中發(fā)生意外跌倒，卻沒能獲得及時(shí)的治療，后果是不堪設(shè)想的，因此，在跌倒與及時(shí)救治領(lǐng)域的研究，其重要性在社會(huì)意義層面不言而喻，已然引起了國(guó)內(nèi)與國(guó)外學(xué)者的研究熱潮。

目前，能有效監(jiān)測(cè)摔倒的技術(shù)主要有三類：基于視頻圖像進(jìn)行分析、基于音頻信號(hào)進(jìn)行分析、便攜穿戴式的檢測(cè)方式。視頻圖像分析需要數(shù)據(jù)量大，安裝成本高，存在隱私問題。音頻信號(hào)分析準(zhǔn)確度差，易受到干擾，誤差大，成本高;穿戴式檢測(cè)設(shè)備攜帶方便，安裝成本低，準(zhǔn)確性較高。本文設(shè)計(jì)的新型摔倒檢測(cè)防護(hù)儀在一種新的摔倒檢測(cè)方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用了新型GPS與北斗雙模定位模塊，增加了遠(yuǎn)程守護(hù)報(bào)警功能，同時(shí)加入了蜂鳴器，以便于救助，采用可充電鋰電池供電，大大提高了可佩戴時(shí)間。

1監(jiān)測(cè)儀組成

本監(jiān)測(cè)儀使用STM32F103C8T6單片機(jī)控制，采用六軸加速度傳感器對(duì)人體的x、y、z三個(gè)方向加速度值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再通過計(jì)算就可以獲得人體合加速度數(shù)據(jù)，即加速度向量幅值SVM（signal vector magnitude，加速度向量幅值）。參考人體摔倒時(shí)的閾值和人體傾斜角度的閾值，當(dāng)單片機(jī)計(jì)算得到的值同時(shí)超過以上兩個(gè)閾值，初步判斷為人體出現(xiàn)跌倒，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警遇險(xiǎn)呼救聲。若為系統(tǒng)誤判，可在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行手動(dòng)按下設(shè)備上的按鍵，便可復(fù)位裝置，避免系統(tǒng)誤報(bào)，如果超過設(shè)定一個(gè)時(shí)間未人為按下按鈕或其他行為則確定為跌倒不起狀態(tài)。立即以短信、微信等形式告知家人，心率傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)心率，家人可通過手機(jī)App查看摔倒地點(diǎn)和佩戴者心率情況。

監(jiān)測(cè)儀組成框圖見圖1。

2系統(tǒng)模塊

2.1 GPS-北斗雙模定位模塊

采用M8TLF雙模定位模塊，該模塊支持美國(guó)GPS、中國(guó)北斗、俄羅斯GLONASS等多種系統(tǒng)混合定位，為了在實(shí)際情況下得到良好的定位效果，將模塊輸出設(shè)置為GP（美國(guó)GPS）+GB（中國(guó)北斗）組合定位模式;GPS定位功能實(shí)現(xiàn)是通過GPS北斗雙模定位模塊獲取當(dāng)前經(jīng)度、緯度值，再將其通過IIC（inter-integrated circuit，集成電路總線）接口發(fā)送給單片機(jī)主控進(jìn)行解析，解析后的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)再經(jīng)過藍(lán)牙發(fā)送手機(jī)再上傳到服務(wù)器。服務(wù)器將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護(hù)人App客戶端，對(duì)接收的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)處理并解析就可得知佩戴者的跌倒位置信息。

2.2 Max30102心率傳感器

該模塊檢測(cè)原理為：當(dāng)LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)過ADC（analog-to-digital converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于模塊自帶ADC轉(zhuǎn)換，所以我們只需要將模塊緩沖區(qū)的值通過單片機(jī)IIC接口讀取即可，將讀取出的值進(jìn)行計(jì)算即可得到心率值。

實(shí)際測(cè)量效果見圖2。

2.3 MPU-6050加速度傳感器

由于人體的運(yùn)動(dòng)情況非常復(fù)雜，要想精確地檢測(cè)到動(dòng)作變化，需要一款精度高、反應(yīng)靈敏的加速度傳感器。MPU-6050為高度集成的6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了MEMS陀螺儀與加速度計(jì)，在實(shí)現(xiàn)縮小了體積的同時(shí)降低了各部分通訊的延時(shí)，用于采集佩戴者的姿態(tài)信息，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，這為精準(zhǔn)檢測(cè)佩戴者的身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化強(qiáng)度提供了可能，為此我們利用單片機(jī)IIC接口獲取MPU-6050緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，通過算法濾波后，即可用于計(jì)算人體加速度向量幅值SVM和傾角φ。

3摔倒檢測(cè)算法

生活中大多數(shù)時(shí)候，人體最基本的動(dòng)作可分為靜止、運(yùn)動(dòng)兩種情況?？梢哉J(rèn)為靜止動(dòng)作包括最基本的立、蹲、坐、躺。這些基本的靜止動(dòng)作通過變化組合就形成了基本的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，包括走、跑、跳、下蹲、彎腰等。在研究摔倒的問題時(shí)，需要將身體不同角度的傾斜看作人體靜態(tài)姿勢(shì)。人體在產(chǎn)生這些運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體模型會(huì)有兩個(gè)明顯變化的特征：向量幅值SVM以及傾角φ。通過對(duì)人體大量動(dòng)作的兩個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行采集、分類和研究，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化強(qiáng)度與身體的加速度和傾角存在一定的關(guān)系，所以我們可通過判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化強(qiáng)度從而來(lái)判斷是否發(fā)生了跌倒動(dòng)作。

3.1跌倒檢測(cè)因素

3.1.1速度瞬態(tài)變化

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)伴隨著人體速度瞬態(tài)變化，即加速度向量幅值SVM變化。可以用SVM來(lái)研究人體產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)的情況。SVM加速度幅值的大小表明運(yùn)動(dòng)情況的強(qiáng)弱。其定義為：在空間直角坐標(biāo)系下，三個(gè)方向的加速度的合成加速度，適合用來(lái)研究空間內(nèi)的物體運(yùn)動(dòng)。

空間合成向量SVM圖見圖3。

3.1.2姿態(tài)角解算

MPU-6050內(nèi)部集成的DMP（digital motion processor，數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器），可以將內(nèi)部集成的陀螺儀得到的原始數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，主控單片機(jī)得到四元數(shù)數(shù)據(jù)之后，通過濾波處理與計(jì)算就可以很方便地計(jì)算出三個(gè)方向上的角度變化。

系統(tǒng)組成框圖見圖4。

3.2判定標(biāo)準(zhǔn)

人體的加速度向量幅值SVM實(shí)際測(cè)驗(yàn)時(shí)，SVM正常狀態(tài)下值是1700左右，當(dāng)以不同的激烈程度晃動(dòng)設(shè)備時(shí)，接收到的安全加速度約在1200-2200之間。因此我們可以設(shè)置高低閾值，當(dāng)SVM超出1200-2200范圍時(shí)，佩戴者10s未按下復(fù)位按鍵則判定為異常，且蜂鳴器大聲報(bào)警。

人體的傾角φ實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，人體處于直立狀態(tài)時(shí)，人體與Z軸方向的夾角φ總小于60度;當(dāng)人體處于水平躺下時(shí)，人體與Z軸方向的夾角φ接近90度;人體在跌落時(shí)，可以認(rèn)為人體從直立狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)。所以我們可以將人體傾角φ值為60度作為摔倒時(shí)的角度閾值，本研究根據(jù)傳感器安裝方式，可任選兩個(gè)姿態(tài)角作為傾角φ，其中任意傾角φ大于閾值即可認(rèn)為是摔倒動(dòng)作產(chǎn)生。

人體向不同方向摔倒時(shí)角度變化情況見圖5。

4測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

4.1正常運(yùn)動(dòng)時(shí)SVM和傾角φ值獲取

為了檢測(cè)到人體摔倒動(dòng)作產(chǎn)生時(shí)的SVM向量和傾角φ的閾值，我們對(duì)本設(shè)計(jì)正常運(yùn)動(dòng)時(shí)和摔倒時(shí)的SVM向量和傾角φ進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)中正常運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括：直立、慢走、慢跑、蹲下、彎腰等運(yùn)動(dòng)。每次實(shí)驗(yàn)包括對(duì)同一動(dòng)作采集傾角φ值和SVM向量值10次，一共進(jìn)行六次實(shí)驗(yàn)，大大提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。

在進(jìn)行摔倒實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)要求向同一方向摔倒，同時(shí)采集傾角φ和SVM向量的變化，每次實(shí)驗(yàn)要求可以選取任意方向測(cè)試，一共進(jìn)行六次實(shí)驗(yàn)。

正常運(yùn)動(dòng)SVM向量變化情況圖見圖6。

每次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者向相同方向產(chǎn)生動(dòng)作，每次實(shí)驗(yàn)之間互不影響，可隨機(jī)方向。從而測(cè)得人體傾角φ情況。

正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，傾角φ值情況圖見圖7。

4.2摔倒時(shí)SVM和傾角φ值獲取

當(dāng)佩戴者出現(xiàn)摔倒動(dòng)作時(shí)，SVM向量變化情況和傾角φ變化情況見圖8、圖9。

4.3結(jié)果分析

通過上述實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的閾值即可區(qū)分摔倒動(dòng)作是否產(chǎn)生，人體直立靜止時(shí)，SVM向量為1700，傾角φ為0°，通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)佩戴者進(jìn)行正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)SVM值的變化在1200-2200之間，傾角φ在0°至60°之間;當(dāng)發(fā)生摔倒動(dòng)作時(shí)，SVM和傾角φ發(fā)生較大變化，SVM變化超過2200，傾角φ超過60°。為此，我們將SVM的閾值設(shè)為2200，同時(shí)將傾角φ設(shè)置為60°時(shí)，可以靈敏地檢測(cè)到佩戴者摔倒。

5結(jié)論

通過對(duì)人體摔倒動(dòng)作的研究，采用了合理科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)人體摔倒前后SVM向量和傾角φ作對(duì)比，通過設(shè)定閾值，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出是否發(fā)生了摔倒，同時(shí)可有效避免正常運(yùn)動(dòng)的誤觸發(fā)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本監(jiān)測(cè)儀可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)老人的摔倒動(dòng)作和生理健康狀態(tài)，可以將摔倒對(duì)老人的傷害降至最低，可以滿足社會(huì)需要。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王曉雷，李棟豪，鄭曉婉，等.基于極限學(xué)習(xí)機(jī)快速分類的人體跌倒檢測(cè)方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（20）：258-264.

[2]蔡靖，樊毅堯，董子健，等.基于穿戴式平臺(tái)的老人摔倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（7）：130-133.

[3]張軍建. 基于三軸加速度傳感器的體位突變檢測(cè)研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2014.

[4]彭昊. 基于陶瓷壓電傳感器的智能床墊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[5]李邵穎，趙文娟，王增彩.小型四軸飛行器控制系統(tǒng)的研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018，45（10）：250.

[6]余星. 基于捷聯(lián)慣性的水下載體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研制[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013.

[7]徐濤，孫威，色海鋒，等.老人跌倒姿態(tài)實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，36（1）：63-70.