基于ADXL345防跌倒檢測裝置的研制

付慧群,張秀峰,劉文濤

(1. 民政部一零一研究所，北京100070； 2. 國家康復(fù)輔具研究中心，北京 100176； 3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) ,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于ADXL345防跌倒檢測裝置的研制

付慧群1,張秀峰2,劉文濤3

(1. 民政部一零一研究所，北京100070； 2. 國家康復(fù)輔具研究中心，北京 100176； 3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) ,黑龍江 哈爾濱 150001)

針對一些老年人在行走或站立時突發(fā)跌倒的情況，開發(fā)了一種跌倒檢測裝置。通過這種檢測裝置，在老年人跌倒觸地前發(fā)出電信號觸發(fā)穿戴式氣囊保護(hù)裝置開關(guān)快速充氣，以保護(hù)要著地的人體部位。研究主要基于ADXL345三軸加速度計(jì)構(gòu)建一單片機(jī)系統(tǒng)，通過理論分析、算法研究及實(shí)驗(yàn)研究等實(shí)現(xiàn)了該檢測裝置的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)靈敏、可靠，可以在人體跌倒0.15 s內(nèi)發(fā)出警報(bào)信號，并為穿戴式氣體保護(hù)裝置提供準(zhǔn)確的觸發(fā)信號。

三軸加速度計(jì)；跌倒閾值；防跌倒；檢測裝置

0 引言

隨著我國社會發(fā)展，人口老齡化趨勢逐漸明顯。根據(jù)2010年全國第六次人口普查[1]結(jié)果，我國60歲以上人口數(shù)已經(jīng)接近1.78億， 65歲以上人口數(shù)接近1.19億，說明我國早已經(jīng)處于老齡化社會。在老年人群中摔倒是比較突出的現(xiàn)象，據(jù)國內(nèi)外學(xué)者調(diào)查研究[2-5]，65歲以上人群中每年有1/3的人發(fā)生一次或者一次以上的跌倒， 80歲以上的老年人群在一年中跌倒的概率甚至?xí)_(dá)到50%。在美國跌倒已經(jīng)成為70周歲以上老年人死亡的第六大原因，在英國跌倒是75歲以上老年人受損傷后的主要死亡原因,在我國每年至少有2千萬老年人發(fā)生跌倒。跌倒產(chǎn)生的醫(yī)療費(fèi)用極高，如何減少跌倒造成的傷害已經(jīng)成為國內(nèi)外研究人員的一個研究焦點(diǎn)。

國外防跌倒的相關(guān)研究比國內(nèi)起步早一些[6]，韓國首爾大學(xué)的研究人員研究了一款佩戴于人體胸部的跌倒探測系統(tǒng)，它由加速度傳感器、陀螺儀、傾角傳感器組成。如果人體的胸部角度變化70°，并且加速度變化非常劇烈則認(rèn)為人體摔倒。實(shí)驗(yàn)證明，它對前后摔倒具有較高的敏感性，但對左右方向的摔倒卻不夠敏感[7]。美國相關(guān)人員研制的一款多位置佩戴的監(jiān)測系統(tǒng)，將三軸加速度傳感器和陀螺儀分別佩戴于胸部和腿部，通過閾值算法對跌倒的檢測成功率達(dá)到了92%[8]。重慶大學(xué)相關(guān)人員開發(fā)了一種基于壓力傳感器的跌倒探測系統(tǒng)，可以把壓力傳感裝置貼在鞋底，通過對人腳底壓力參數(shù)進(jìn)行跌倒判別，對用戶非正常步態(tài)進(jìn)行識別，對跌倒的有效判別率達(dá)到85%以上[9]。浙江大學(xué)的學(xué)者研究出了基于加速度傳感器和心電檢測電極的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠根據(jù)加速度的變化和心率的變化判斷人體的實(shí)時狀態(tài)[10]。從目前的研究來看，跌倒檢測系統(tǒng)算法的成功率有待提高，算法的誤報(bào)情況較嚴(yán)重，保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)較慢、可靠性差。另外，還可以看出三軸加速度傳感器是跌倒檢測系統(tǒng)中的重要組件，基于三軸加速度閾值檢測算法的應(yīng)用較為普遍。而陀螺儀的應(yīng)用效果并不好，主要是陀螺儀有嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象?；谝陨戏治觯疚奶岢龌贏DXL345三軸加速度計(jì)設(shè)計(jì)一個單片機(jī)跌倒檢測系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)過程

1.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是基于一個三軸加速度計(jì)的預(yù)測系統(tǒng)，總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

1.2 元器件選型

(1)三軸加速度計(jì)選用ADXL345，主要因?yàn)椋捍思铀俣扔?jì)功耗超低，分辨率高(13位),可達(dá)3.9 mg/LSB； 數(shù)字輸出，不用考慮A/D轉(zhuǎn)換模塊； 非常適合移動設(shè)備，可在傾斜檢測中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。

(2)系統(tǒng)單片機(jī)選用MSP430F149系列單片機(jī)，主要因?yàn)椋捍藛纹瑱C(jī)是一款16位的單片機(jī)，處理能力非常強(qiáng),功耗很低， 開發(fā)與編程比較方便；片上外圍資源比較多，例如集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊等。

1.3 算法研究

(1)總體方案

(2)跌倒數(shù)據(jù)特征分析

通過ADAMS-LifeMOD軟件對人體的跌倒過程進(jìn)行仿真，仿真過程如圖2所示。

圖2 人體跌倒仿真過程

對應(yīng)的人體重心的運(yùn)動加速度幅值變化如圖3所示，從圖中可看出：測量的人體加速度曲線隨著跌倒動作單調(diào)遞減，在觸地瞬間劇增。要實(shí)現(xiàn)跌倒的預(yù)測，須在觸地之前將跌倒的趨勢預(yù)判出來，并且留出足夠的時間驅(qū)動氣囊保護(hù)裝置。另外，利用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也支持了上述仿真結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖3 總體加速度仿真結(jié)果

圖4 人體向后跌倒實(shí)測數(shù)據(jù)曲線

圖5 人體向前跌倒加速度實(shí)測數(shù)據(jù)曲線

(3)算法分析

步行、跑步時加速度曲線如圖6、圖7所示。通過與走路、跑步情況對比，發(fā)現(xiàn)跌倒數(shù)據(jù)單調(diào)遞減時間明顯長，遞減幅度也較大，這可作為算法設(shè)計(jì)的一個突破口。基于閾值法的算法可分為以下環(huán)節(jié)：

圖6 走路加速度曲線實(shí)測數(shù)據(jù)曲線

圖7 跑步加速度曲線實(shí)測數(shù)據(jù)曲線

①加速度閾值判別環(huán)節(jié)

SVM代表總體加速度的幅值。設(shè)定閾值為0.9g，如果采樣點(diǎn)的SVM值小于0.9g，則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)進(jìn)行判斷。

②時間閾值判別環(huán)節(jié)

連續(xù)滿足SVM<0.9的采樣點(diǎn)數(shù)目與時間成正比，對時間T可以設(shè)定一個閾值,取其值為0.35 s。如果T>0.35 s，則可以認(rèn)定該組數(shù)據(jù)是一組摔倒的可疑數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)進(jìn)行判定。

圖8 算法流程圖

③均值閾值判別環(huán)節(jié)

在0.35 s內(nèi)一直滿足SVM<0.9的條件已經(jīng)比較苛刻,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，在步行、下樓過程中仍然有一定幾率出現(xiàn)誤報(bào)，于是又加入了第三個環(huán)節(jié)。即在過去0.35 s內(nèi)的加速度均值G如果小于0.7，則認(rèn)為跌倒事件發(fā)生。最終算法如圖8所示。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)證明上述算法可以準(zhǔn)確區(qū)分日常活動和跌倒，對于跌倒檢測成功率比較高，走路等日常活動中出現(xiàn)誤報(bào)的次數(shù)比較少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

(1)誤報(bào)情況分析

誤報(bào)常發(fā)生于把裝置由桌面或者地面拿起的過程中，另外在步行過程中如果地面有較大起伏也有誤報(bào)發(fā)生，但次數(shù)較少。另外，通過調(diào)整三個閾值的大小可有效進(jìn)行過濾。本設(shè)計(jì)原則是不允許出現(xiàn)誤報(bào)，在此基礎(chǔ)之上再盡量減少漏報(bào)情況。

(2) 漏報(bào)境況分析

漏報(bào)常發(fā)生于較緩慢的跌倒，例如膝蓋彎曲到一定程度后再跌倒可能會出現(xiàn)漏報(bào)。針對該情況該算法還有待提高，不過就跌倒造成的傷害而言，這種情況無疑是沖擊傷害較小的情況。

(3)時間裕度分析

對于已判跌倒情況，從報(bào)警信號發(fā)出到人體接觸地面這段時間稱為時間裕度，該算法裕度的大小受限于設(shè)定的三個閾值大小。另外受限于測量手段的缺失，不能準(zhǔn)確測出裕度的大小。根據(jù)MATLAB仿真結(jié)果，該裕度在0.1～0.2 s之間，如果對閾值進(jìn)行微調(diào)，將有助于該裕度提升，但誤報(bào)的幾率會有所上升。

(4)電氣性能分析

該系統(tǒng)采用3.6 V鋰電池供電，平時工作電流在6 mA左右，光耦導(dǎo)通時工作電流在15 mA左右。在電池放電降低到2.5 V以上時都可以正常工作。

(5)其他性能分析

對于閾值參數(shù)的微調(diào)，可以通過一個四線的撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，共有16種狀態(tài)可供選擇。該裝置保留了EEPROM-AT24C256，用于以后繼續(xù)的實(shí)驗(yàn)，該存儲芯片的數(shù)據(jù)可以通過RS232接口傳輸出到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。如果以后產(chǎn)品定型，可考慮去掉存儲器模塊和RS232模塊，以減小功耗和體積。

3 結(jié)論

綜上所述，本裝置無論從算法的提出還是硬件的制作均保證了原創(chuàng)性，是獨(dú)立、完整的算法體系。該算法能夠有效識別跌倒的發(fā)生，并且給出了輸出信號。該硬件平臺可以對程序進(jìn)行調(diào)試，并且可以儲存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為以后的實(shí)驗(yàn)及算法的繼續(xù)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

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付慧群(1970-)，通信作者，女，本科，工程師，主要研究方向：老年人、殘疾人用品及殯葬有關(guān)設(shè)備。

Development of a detection device for avoiding falling down based on ADXL345

Fu Huiqun1,Zhang Xiufeng2,Liu Wentao3

(1.101 Institute of the Ministry of CivilAffairs,Beijing 100070, China;2.National Research Center for Rehabilitation Technical Aids, Beijing 100076, China;3.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China)

Aiming at the gusty falls happened when the elderly walking or standing , this paper develops a kind of equipment to detect the falls. This detection equipment can send electric signal to trigger the switch of the wearable airbag protection device to inflate quickly to protect the human body part before the elderly fall on the ground. This research constructs a single chip microcomputer system mainly based on ADXL345, which is a kind of triaxial accelerometer. The function of this detection equipment is realized by theoretical analysis, algorithm study and experimental research, etc. The experimental results show that the proposed system is very sensitive and reliable, which can send the alarm signal only 0.15 s after the human falling and provide accurate trigger signal for the wearable airbag protection device.

triaxial accelerometer; fall threshold; fall prevention;detection device

TP216+.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.027

付慧群,張秀峰,劉文濤.基于ADXL345防跌倒檢測裝置的研制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(4)：90-93.

2016-08-29)