可穿戴式跌倒檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)研究

曲鳳娟

（北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊065000）

0 引言

人口老齡化己成為一個(gè)世界性的問題。我國(guó)早在1999年就已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)。老年人占總?cè)丝诘谋戎卦诔掷m(xù)攀升之中，空巢老年人家庭也占了相當(dāng)大的比例。如何更好的贍養(yǎng)老人已成為社會(huì)難題。除了可能的各種疾病外，老年人在日常生活中跌倒的發(fā)生率也非常高,是老年人傷殘和死亡的主要原因之一。當(dāng)老年人跌倒時(shí)，若能夠得到及時(shí)的救助，那么可以減少傷痛帶來的痛苦，甚至可以避免死亡?？纱┐魇降箼z測(cè)與預(yù)警設(shè)備能夠在佩戴者發(fā)生跌倒后及時(shí)報(bào)警，接到報(bào)警的救助人員可采取相應(yīng)措施盡快實(shí)施救助，即使身邊無人的情況下也能得到及時(shí)救助。

1 可穿戴式跌倒檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要分兩部分：一部分是人體運(yùn)動(dòng)采集和分析模塊，包括主處理器、三軸加速傳感器、陀螺儀和藍(lán)牙通信模塊，這部分佩戴在人體的腰部；第二部分是報(bào)警和定位模塊，此部分基于android的智能手機(jī)，手機(jī)通過藍(lán)牙接收到報(bào)警信號(hào)后，啟動(dòng)GPS定位，通過短信或電話形式向家人報(bào)警。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 模塊功能

系統(tǒng)采用STM32作為主處理器，接收來自陀螺儀、三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)和信號(hào)，執(zhí)行算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在必要時(shí)通過藍(lán)牙模塊向手機(jī)1發(fā)送報(bào)警信號(hào)，手機(jī)1接到報(bào)警信號(hào)后繼續(xù)向手機(jī)2發(fā)出報(bào)警短信或電話，同時(shí)給出警報(bào)所在的位置信息。

三軸加速度計(jì)是測(cè)量載體x軸、y軸以及z軸方向上線加速度的儀表，通過3個(gè)軸向的加速度判斷跌倒動(dòng)作。當(dāng)然，僅通過三軸加速度計(jì)是測(cè)不到轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作的，難以測(cè)量出完整的3D動(dòng)作，所以進(jìn)行跌倒動(dòng)作的判斷還需要結(jié)合陀螺儀。陀螺儀可以對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、偏轉(zhuǎn)的動(dòng)作做很好的測(cè)量，這樣就可以精確分析判斷出使用者的實(shí)際動(dòng)作。

本系統(tǒng)采用手機(jī)端作為服務(wù)器端，STM32端則作為客戶端。STM32通過發(fā)送AT命令與手機(jī)端進(jìn)行連接。

手機(jī)端執(zhí)行采用Eclipse編程技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用程序，除了要開發(fā)必要的界面還要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是否有跌倒信號(hào)出現(xiàn)，因此收發(fā)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)功能需要定義為Service服務(wù)，保證系統(tǒng)能夠在后臺(tái)監(jiān)聽。Service的啟動(dòng)流程為：context.startService()-ffgt;onCreate()-ffgt;onStart()-ffgt;Service running-ffgt;context.stopService()-ffgt;onDestroy()-ffgt;Service stop。與Service通信的設(shè)備或Activity有：(1)通過藍(lán)牙無線通信的跌倒檢測(cè)裝置(FD)：Stm32當(dāng)檢測(cè)到有跌倒可能時(shí)，向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)；(2)啟動(dòng)Service的Activity(StaAct)：用于啟動(dòng)；(3)StopActivity(StpAct)：用于誤報(bào)時(shí)用戶停止報(bào)警界面；(4)FeedBackActivity(FBAct)：用于反饋用戶對(duì)誤報(bào)原因的界面。

為實(shí)現(xiàn)定位需要使用百度地圖。百度地圖提供多種定位方法，考慮到各種定位方法的精度，優(yōu)先GPS定位，然后是wifi定位和基站定位。首先需要下載相關(guān)最新的庫(kù)文件并導(dǎo)入：將liblocSDK4.so文件拷貝到libs/armeabi目錄下，將locSDK4.1.jar文件拷貝到工程的libs目錄下，并在工程屬性-ffgt;Java Build Path-ffgt;Libraries中選擇“Add JARs”，選定locSDK4.1.jar，確定后返回；其次，設(shè)置AndroidManifest.xml：在application標(biāo)簽中聲明service組件,每個(gè)app擁有自己?jiǎn)为?dú)的定位service，并且聲明使用權(quán)限進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)定位。還需import類com.baidu.location.BDLocation、com.baidu.location.BDLocationListener、com.baidu.location.LocationClient及com.baidu.location.LocationClientOption。

在發(fā)出報(bào)警短信或撥打電話時(shí)，給出定位的地址信息。百度地圖提供從地址到經(jīng)緯度坐標(biāo)或者從經(jīng)緯度坐標(biāo)到地址的轉(zhuǎn)換服務(wù)，通過向服務(wù)器發(fā)送包括經(jīng)緯度信息在內(nèi)的HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器返回JSON數(shù)據(jù)，再通過JSON解析獲得地址信息。

圖2

圖3

另外，手機(jī)端需要先開啟服務(wù)。當(dāng)檢測(cè)到跌倒后，跌倒檢測(cè)裝置會(huì)通過藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，表示檢測(cè)到跌倒。同時(shí)，跌倒檢測(cè)裝置也會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，手機(jī)端會(huì)進(jìn)入誤報(bào)停止界面，界面如圖2所示。如果是誤報(bào)，需要點(diǎn)擊stop按鈕，進(jìn)入反饋界面，反饋界面如圖3所示。反饋的誤報(bào)問題有：跑步、坐、躺、上下樓梯、跳及什么都沒有做。需要用戶選擇產(chǎn)生誤報(bào)的原因，從而根據(jù)報(bào)警自適應(yīng)修改閾值。如果是真的跌倒，stop界面會(huì)等待1分鐘，手機(jī)端會(huì)將跌倒的信息發(fā)送給預(yù)設(shè)置的手機(jī)。

2.2.2 算法

STM32微控制器在加電后，首先初始化中斷向量表，設(shè)置?？臻g，調(diào)用System_init初始化系統(tǒng)時(shí)鐘后再跳入main函數(shù)。在main函數(shù)中執(zhí)行卡爾曼濾波算法：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)

2 可穿戴式跌倒檢測(cè)與預(yù)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件集成

跌倒檢測(cè)模塊采用野火STM32 V3開發(fā)板；關(guān)于陀螺儀和加速度計(jì)，本文選用了MPU-6050；跌倒檢測(cè)模塊與手機(jī)的通信采用藍(lán)牙串口模塊FBT-06；手機(jī)1為基于Android的智能手機(jī)，其需要運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序；手機(jī)2則可以是任意的可用手機(jī)。

MPU-6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)。MPU-6050通過主I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向STM32輸出數(shù)據(jù)。因此，只需把STM32的引腳PB6（SDA）和PB7（SCL）分別連接到MPU-6050的24號(hào)引腳（SDA）和23號(hào)引腳（SCL）上即可。

藍(lán)牙模塊FBT-06的TXD和RXD與STM32的RXD和TXD連接即可。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 手機(jī)端刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值。

本文只對(duì)單軸陀螺儀的信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，因此維數(shù)為1，將其中表示矩陣行數(shù)和列數(shù)的入口參數(shù)用宏定義參數(shù)ONE代替，該值設(shè)為1?？柭鼮V波算法函數(shù)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下：和測(cè)量值計(jì)算當(dāng)前最優(yōu)值;

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了可穿戴式跌倒檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可檢測(cè)佩戴者產(chǎn)生的跌倒動(dòng)作，在給出短信報(bào)警或電話報(bào)警的同時(shí)能夠?qū)Φ拐哌M(jìn)行定位。本系統(tǒng)手機(jī)端的應(yīng)用程序運(yùn)行于Android系統(tǒng)；跌倒檢測(cè)模塊以STM32為主處理器，接收來自MPU-6050的數(shù)據(jù)采用卡曼爾濾波算法判斷是否發(fā)生跌倒，若跌倒則通過藍(lán)牙模塊FBT-06向運(yùn)行Android系統(tǒng)的手機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)已經(jīng)過測(cè)試，測(cè)試的手機(jī)1型號(hào)為HTC 528t。

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