基于單片機和加速度傳感器的跌倒檢測設(shè)備設(shè)計

王晗　朱建博　張佳艷　高征　汪斌

【摘 要】隨著老齡化的加速，老人健康的問題越來越得到社會的關(guān)注，其中，跌倒是危害老人健康的重要原因。本文采用Arduino硬件平臺、JY901加速度傳感器模塊和SIM900A串口GPRS模塊構(gòu)建了一種跌倒監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過串口采集加速度傳感器模塊的運動數(shù)據(jù)，送到單片機進行跌倒檢測，GPRS模塊將跌倒?fàn)顟B(tài)發(fā)到服務(wù)器遠端。該系統(tǒng)成本較低，能較精確地實現(xiàn)跌倒檢測。

【關(guān)鍵詞】Arduino；加速度傳感器；跌倒檢測

【Abstract】With the acceleration of aging problem， people pay more attention to the health problem of the elders. The falling down of the elders is an important cause for harming their health. This paper proposes a falling detection system by using Arduino platform， JY901 accelerometer and SIM900A GRRS module. The motion data sensed by accelerometer is sent to MCU for fall detection. The detecting result is also sent to server by GPRS module. This system has the advantage of low cost， and it can detect the fall accurately.

【Key words】Arduino； Accelerometer； Fall detection

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展、生活水平的提高和老齡化的加速，老人健康問題越來越得到關(guān)注，人們不僅僅滿足于看病，并且要做到預(yù)防。其中，老人健康和日常養(yǎng)生保健問題是現(xiàn)在醫(yī)學(xué)重點研究的方向。在日常生活中，由于生理機能的退化，老人發(fā)生意外跌倒的概率很大，跌倒給老人身心帶來很大傷害。國際上老人跌倒定義為無意圖的摔倒在地上或者其他平面上，但是沒有包括外力、暈厥或疾病發(fā)作所導(dǎo)致的摔倒[3，9]。老人跌倒之后，會產(chǎn)生許多負(fù)面心理和身體上的創(chuàng)傷，跌倒也是導(dǎo)致老人出意外的一個重要原因。因此，如何進行老人跌倒的準(zhǔn)確檢測和及時報警是一個重要的課題。跌倒檢測作為現(xiàn)代化的檢測手段，對保護老人身心健康起到了很大的作用[4]。

當(dāng)前，跌倒檢測的方法大致分成兩類：基于視頻監(jiān)控的檢測方法和基于加速度傳感器的檢測方法。基于視頻監(jiān)控采用攝像頭及嵌入式軟件檢測跌倒，該檢測方法易受到光照條件和攝像頭清晰度的影響，同時會帶來隱私泄露的風(fēng)險?；诩铀俣葌鞲衅鱗5]的檢測方法采用加速度傳感器檢測跌倒，該方法成本較低，精確度較高，設(shè)計比較簡單。本文給出了一種基于Arduino單片機模塊和九軸加速度模塊JY901的跌倒檢測設(shè)備，該系統(tǒng)通過JY901九軸加速度傳感器模塊檢測運動數(shù)據(jù)，在單片機中判斷是否跌倒，并通過GPRS模塊發(fā)送報警信息發(fā)送出去。該設(shè)備成本低，能較精確地實現(xiàn)跌倒檢測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1 跌倒檢測硬件設(shè)計圖

本系統(tǒng)硬件采用Arduino Uno單片機模塊，以其作為主要控制器件，Arduino單片機帶有14路數(shù)字輸入/輸出接口和6路模擬輸入接口。傳感器采用JY901模塊，JY901是一個九軸加速度模塊，內(nèi)部已經(jīng)實現(xiàn)了姿態(tài)解算器和卡爾曼濾波算法，能在運動環(huán)境下準(zhǔn)確地輸出當(dāng)前運動數(shù)據(jù)，該模塊提供I2C接口和串口，可以直接輸出數(shù)字信號，無需A/D轉(zhuǎn)換，該模塊能輸出時間、加速度、角速度、角度和磁場等數(shù)據(jù)[10]。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示：JY901模塊和Arduino單片機模塊采用串口相連，JY901模塊采集得到的加速度數(shù)據(jù)通過串口送到單片機中進行跌倒檢測。在單片機中，通過事先的實驗，取得人在站立與行走時候的加速度變化數(shù)據(jù)，再和收集到的數(shù)據(jù)來比較判斷是否超出事先所設(shè)定的閾值，如果在規(guī)定的時間內(nèi)變化超過事先所設(shè)定的閾值，則由單片機將報警信息通過GPRS模塊送到服務(wù)器端。其中GPRS設(shè)備使用SIM900A串口模塊，該模塊也通過串口和Arduino單片機模塊相連，單片機和GPRS模塊通過發(fā)送AT指令建立連接和傳送數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計主要針對的是跌倒檢測，在參數(shù)的選擇上是使用了人體的加速度指標(biāo)作為主要的檢測指標(biāo)。為了更好地檢測加速度的變化，將設(shè)計的裝置佩戴在腰部，這樣有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與報警。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)分析比較走路、跑步和跌倒3種狀態(tài)下加速度數(shù)據(jù)的變化程度可知，在行走時和跑步時的變化的加速度變化相對較小，而在跌倒事件發(fā)生時，加速度（尤其是垂直的Z軸）有明顯的變化。因此，可利用加速度來判斷是否有跌倒發(fā)生。在實際場合，為了更好地判斷和結(jié)合3個方向軸的加速度數(shù)據(jù)，繼續(xù)提取加速度向量幅值[8]（AVM， Acceleration Vector Magnitude）判斷跌倒?fàn)顟B(tài)。加速度向量幅值的定義為：

AVM=■（1）

其中ax、ay和az分別為x軸、y軸和z軸方向的加速度數(shù)據(jù)。使用加速度向量幅值的優(yōu)點是：無論朝哪個方向跌倒，由3個方向加速度得到的矢量均可以充分參與判斷。在提取了加速度向量幅值之后，將加速度向量幅值與閾值比較，若高于閾值則認(rèn)為發(fā)生了跌倒，低于閾值則認(rèn)為是靜止或正常運動，由于跌倒時加速度向量幅值呈現(xiàn)單脈沖的特性，在實際場合，采用多次閾值判斷進行跌倒檢測，以區(qū)別疑似跌倒與真正跌倒。所謂疑似跌倒是指人在日?；顒又挟a(chǎn)生的導(dǎo)致加速度向量幅值變化卻不是跌倒的行為，例如，從靜坐到站起來、跑步、快走、上樓梯下樓梯等，如果加速度向量幅值的多次檢測結(jié)果超過閾值，即認(rèn)定為疑似跌倒。

3 跌倒檢測實驗

現(xiàn)場測試時將跌倒檢測設(shè)備放置在人體腰間位置，實驗結(jié)果如表1所示[6-7]。實驗對7組走路（無跌倒）、向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒和向右跌倒?fàn)顟B(tài)進行檢測，√表示檢測到跌倒，×表示沒有檢測到跌倒，表1數(shù)據(jù)表明大多數(shù)情況下該設(shè)備能實現(xiàn)跌倒檢測。實驗中加速度向量幅值閾值選定為2米/秒2，每次跌倒檢測重復(fù)檢測次數(shù)為3次。

4 結(jié)論

本文采用Arduino單片機模塊、加速度傳感器模塊和GPRS模塊構(gòu)建跌倒檢測系統(tǒng)，通過加速度模塊采集運動數(shù)據(jù)，送到Arduino單片機模塊進行判斷是否跌倒，在判斷跌倒后，將報警信息通過GPRS模塊發(fā)送出去。該設(shè)計具有成本低和精度高的優(yōu)點，具有一定的實用價值。

【參考文獻】

[1]張軍建，趙捷，安陌京.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測研究[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進展，2014，18：3585-3588.

[2]楊帆，謝靖，周余，王自強.基于頭部運動軌跡和3D視覺的跌倒檢測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（2）：54-57.

[3]李亞萍，薛冰冰，吳書裕，張媛，周凌宏.基于IOS的老年人跌倒檢測報警系統(tǒng)研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（9）：15-18.

[4]倪逸揚.基于Android系統(tǒng)的老人跌倒檢測軟件[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2013（16）：55-57.

[5]朱亮，鄒兵，嚴(yán)龍.基于 MMA7260QT的危險場所跌倒檢測設(shè)備的研制[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（5）：45-48.

[6]吳志強，曹蕾，王凱.基于智能手機的人體跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程與設(shè)計，2014，35（4）：1465-1470.

[7]王剛.基于Arduino Uno平臺的跌倒檢測報警系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（7）：49-52.

[8]陶成林，雷必成，楊揚戩.基于STM32的跌倒防護裝置研究[J].電子設(shè)計工程，2012，20（22）：63-65.

[9]任紅紅，于普林.老年人跌倒的干預(yù)研究進展[J].中華老年醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（10）：883-886.

[10]任志玲，張冰倩，鄭麗媛.基于加速度傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2013，21（6）：1428-1430.