智能家居中老人跌倒遠程監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計

肖 麗，付 蔚，王 平

(重慶郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)與智能儀器儀表教育部重點實驗室，重慶400065)

據(jù)資料調(diào)查顯示，跌倒是造成中國65歲以上老年人傷害死亡的首位原因［1］。針對老年人易跌倒的情況，除了事前的防范之外，更重要的是在老年人跌倒后，第一時間通知家人和醫(yī)院，及時進行救護，將傷害降到最低。因此，建立一套完善的遠程跌倒檢測報警監(jiān)測與通信系統(tǒng)是非常必要的［2］。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

這里設(shè)計的跌倒檢測報警遠程監(jiān)護系統(tǒng)主要由三大部分組成:遠端跌倒監(jiān)護報警設(shè)備，監(jiān)護端，兩者間的通信網(wǎng)絡(luò)。

遠程跌倒檢測報警儀主要負責(zé)對人體姿態(tài)的監(jiān)測。當(dāng)檢測到佩戴者發(fā)生跌倒后，進行本地聲光報警，發(fā)送遠程報警信息。同時跌倒檢測報警儀還具有危急情況主動報警功能和遠程報警號碼修改和掉電保存功能。

監(jiān)護端由手機和遠程監(jiān)控主機組成。手機用于及時接收短信或者電話報警信息;遠程監(jiān)控主機用于接收來自智能家居服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的跌倒報警信息，并實時地在監(jiān)控主頁上進行報警提示和報警信息的存儲，以便在老人跌倒后進行及時救助。

通信網(wǎng)絡(luò)由GPRS和IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡(luò)組成。GPRS網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)將報警信息以短信或電話的方式通知家人和醫(yī)院;IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡(luò)負責(zé)將跌倒報警信息轉(zhuǎn)發(fā)至智能家居遠程監(jiān)控網(wǎng)頁上。

圖1 系統(tǒng)總拓撲圖

系統(tǒng)總拓撲圖如圖1所示。LM3S1138處理器、蜂鳴器、輸入按鍵、GPRS通信模塊、IEEE 802.15.4e通信模塊以及電源等部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

跌倒檢測報警儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由加速度傳感器、處理器采用的是TI公司的Cortex-M3內(nèi)核的LM3S1138處理器。該處理器是一款32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核(ARM v7M架構(gòu))的、兼容Thumb-2指令集的、能提高代碼密度25%以上的、以50 MHz的運行頻率能加快代碼運行速度35%以上的高性能低價格的處理器［3］。

加速度傳感器采用的是美國ADI公司的ADXL345。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器，采用3 mm×5 mm×1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝，分辨力高，測量范圍達±16g，可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度［4］，是一款非常適合做跌倒檢測用的加速度傳感器。

GPRS模塊采用的是華為公司的GSM模塊，使用50-PIN B2B連接器接口方式，為外圍設(shè)備提供UART接口、SIM卡接口等［5］。這里GPRS模塊通過串口與核心處理器相連接，核心處理器通過AT指令配置，能與其進行有效的通信。

CC2430無線模塊采用的是本實驗室基于即將發(fā)布的國際IEEE 802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)、自主研發(fā)的協(xié)議棧軟件。該協(xié)議棧支持自組織和終端設(shè)備自適應(yīng)入網(wǎng)、支持信標(biāo)幀調(diào)度和三次握手進行DSME分配的機制，網(wǎng)絡(luò)容量擴充性好，資源分配效率高，有效地解決了無線網(wǎng)絡(luò)中存在的隱蔽問題，網(wǎng)絡(luò)具有良好的自組織性和高可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 加速度傳感器的基本工作原理

加速度傳感器工作的基本原理是牛頓第二定律，F(xiàn)=ma，其中F為物體所受作用力，m為物體的質(zhì)量，a為作用力F產(chǎn)生的加速度。

加速度傳感器就是將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的儀器。在加速度傳感器中是通過測量作用力F來測量加速度的，在傳感器內(nèi)部利用電磁力平衡作用力F，就能得到作用力F與電壓(電流)的對應(yīng)關(guān)系。其本質(zhì)是通過作用力造成傳感器內(nèi)部敏感器件變形，測得器件的變形量，并通過相應(yīng)的電路處理轉(zhuǎn)化成電壓或電流輸出，從而得到相應(yīng)的加速度信號或信息。

3.2 算法的研究與實現(xiàn)

在使用加速度傳感器時要得到準(zhǔn)確的加速度值，首先應(yīng)該對其進行人工矯正［6］。因此將加速度傳感器靜止放在桌面上，X軸在左右方向上，Z軸在前后方向上，Y軸在重力加速度方向上，則此時Y軸應(yīng)該輸出大小為1g的加速度，X軸、Z軸應(yīng)輸出0g。若有偏差則應(yīng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后Y軸輸出為-1g，X軸、Z軸則輸出0g。

為了對跌倒時加速度變化情況進行詳細的研究與分析，主要采用實驗?zāi)M測試的方式。以下對老人日常行走，坐下、起身，以及向前、向后、向左、向右的跌倒進行了模擬測試，并對其加速度變化進行觀察分析。

測試時2位同學(xué)將三軸加速度傳感器通過松緊帶佩戴在腰前位置。三軸加速度的方向為X軸在左右方向上、Y軸在上下方向上，其中Y軸的正方向與重力方向一致，Z軸在前后方向上。其中當(dāng)軸的方向與重力加速度方向相反時加速度為正。因而初始靜止時X軸、Z軸的輸出值應(yīng)為0g，Y軸的輸出值為-1g。因跌倒可能發(fā)生在任何方向上，若只對其中1個軸的加速度進行監(jiān)測，會導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，因而應(yīng)將3個軸的加速度的矢量和作為特征量進行分析、監(jiān)測。

圖3為正常行走時的3個軸上的加速度與加速度矢量和的變化情況。圖4為正常坐下時的加速度的變化情況。

圖3 正常行走時的加速度與加速度矢量和的變化情況

圖5 為正常起身時加速度變化的情況。圖6為向后跌倒時的加速度變化情況。

通過對以上的測試實驗觀察分析發(fā)現(xiàn):1)正常行走時加速度變化范圍小，且加速度矢量和大小始終保持在1g與1.5g之間;2)正常坐下時人體的加速度矢量和將先減小到1g以下，后增大到1g至1.5g之間;3)正常起身時加速度矢量和將會先增大后減小，但變化幅度較小，不超過0.5g。

觀察向前、向后、向左、向右跌倒的加速度矢量和變化曲線發(fā)現(xiàn)，在跌倒發(fā)生的過程中，加速度矢量和都將有一個先減小后增大的過程。加速度矢量和減小的原因是當(dāng)人體發(fā)生跌倒時首先身體會失去平衡，導(dǎo)致所受的地面支持力減小［7］，將會出現(xiàn)失重狀態(tài)，加速度矢量和將會有一個減小的過程，在人們發(fā)生跌倒之初會出現(xiàn)失重狀態(tài)，加速度矢量和都會先降低到0.5g以下;在跌倒發(fā)生失重之后人體著地的瞬間，人體與地面將會發(fā)生猛烈的沖擊，地面對人體的支持力將會遠大于人體的自身的重力，沖擊將會使人體出現(xiàn)瞬間猛烈超重狀態(tài)，從而導(dǎo)致加速度猛烈增大;著地后人體將會有段時間的靜止，此時加速度矢量和大小接近于人體正常站立時的加速度值;但對跌倒后的靜止觀察發(fā)現(xiàn)，3個軸的加速度與初始的狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化。

通過以上的分析發(fā)現(xiàn)，無論人們從哪個方向發(fā)生了跌倒，人的身體狀態(tài)都會經(jīng)歷失重、超重、靜止、加速度方向明顯改變等幾個過程。因此，可將這幾個條件作為檢測人體是否發(fā)生跌倒的判斷條件。

人體發(fā)生跌落時必將經(jīng)歷以上幾個狀態(tài)，因此可以將以上幾個狀態(tài)進行合理的組合作為檢測跌倒的依據(jù)。

系統(tǒng)初始化完，進入算法檢測狀態(tài)，如果在一定時間內(nèi)檢測到以上所有狀態(tài)同時加速度變化超過一定范圍則認為人體發(fā)生跌倒，發(fā)出聲光預(yù)警，聲光預(yù)警10 s，如果在聲光預(yù)警的10 s內(nèi)沒有取消預(yù)警按鍵輸入，則通過GPRS模塊自動發(fā)送報警短信或者自動撥號到家人或者監(jiān)護人員的手機上，同時通過IEEE 802.15.4e將報警信息發(fā)送至智能家居遠程監(jiān)控網(wǎng)頁上進行報警提示和信息的存儲;若在10 s內(nèi)有取消報警按鍵輸入，則停止聲光報警和遠程報警。同時跌倒報警儀還有緊急求救功能，如果老人遇到危急情況可手動按下報警按鍵進行遠程報警。報警號碼的遠程修改功能，可以實時地接收手機短信，設(shè)置新的報警號碼。號碼掉電存儲的功能可防止設(shè)備掉電后報警號碼的丟失。算法流程圖如圖7所示。

4 測試及結(jié)果

為了驗證設(shè)備的穩(wěn)定性和本算法的正確性，將進行以下幾項實驗測試:正常行走，正常坐下、起身，向左、向右跌倒，向前、向后跌倒。因本實驗具有一定的危險性，因而并未請老人參加實驗測試，由5位同學(xué)佩戴檢測儀在墊子和沙發(fā)上完成。驗證結(jié)果見圖8。

圖8中左側(cè)柱、右側(cè)柱分別為第1組、第2組測試結(jié)果，每組的各個項目都進行200次測試，第2組測試是對第1組測試出現(xiàn)的問題分析后又進行的測試。

在坐下、起身項目中，如果迅速用力坐到沙發(fā)上，在200次的測試中出現(xiàn)了2次錯誤報警。所以在第2組測試時，采用正常較慢的速度坐到沙發(fā)上，就不再會出現(xiàn)錯誤報警。

在第1組向左、向右、向前、向后跌倒測試中，分別出現(xiàn)了6次、5次、3次、4次的應(yīng)該報警而未發(fā)生報警的現(xiàn)象。經(jīng)過分析，如果每次測試間隔時間過短，GPRS工作進程還未結(jié)束，導(dǎo)致無法實現(xiàn)正確的檢測報警。在第2組測試時，在上一次報警結(jié)束30 s以后，再進行下一次測試，就不再會出現(xiàn)應(yīng)該報警而未發(fā)生報警的情況，達到了滿意的檢測效果。

5 小結(jié)

經(jīng)過多次的佩戴測試與實驗，證明了本文設(shè)計的基于三軸加速度傳感器ADXL345，LM3S1138，GPRS和IEEE 802.15.4e的跌倒報警儀集成度高、體積小、實時性好，且能較精確地檢測到各個方向上發(fā)生的跌倒情況，同時本文采取的跌倒后先采用本地聲光預(yù)警，在預(yù)警過程中如果沒有取消報警的舉措就確認報警，這一方式進一步提高了跌倒報警的精確度，降低了誤報率，具有較高的實用價值。

［1］李冬，梁山.基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測裝置設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(9):85-88.

［2］王德富，周子萍，谷瀟，等.針對老年人的關(guān)愛電視遠程監(jiān)護服務(wù)［J］.電視技術(shù)，2011，35(21):124-127.

［3］EasyARM1138Datasheet［EB/OL］.［2011-11-20］.http://www.embedtools.com/pro_kaifa/ARM/EasyARM1138/easyarm1138_jianjie.pdf.

［4］ADXL345DataSheet［EB/OL］.［2011-11-20］.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL345.pdf.

［5］EM310DataSheet［EB/OL］.［2011-11-20］.http://wenku.baidu.com/view/1a2aac6aaf1ffc4ffe47ac11.html.

［6］陳衛(wèi)，楊忠，夏玉亮，等.MEMS加速度傳感器在微型特種機器人中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(7):110-113.

［7］谷云高，石彥君，周曉靜，等.基于MMA7455的機器人姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動化，2010，32(8):15-17.