基于藍(lán)牙和3軸電子陀螺儀的跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 彬，肖姿逸

（中國電子科技集團(tuán)公團(tuán)第 58 研究所，江蘇 無錫 214072）

產(chǎn)品、應(yīng)用與市場

基于藍(lán)牙和3軸電子陀螺儀的跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 彬，肖姿逸

（中國電子科技集團(tuán)公團(tuán)第 58 研究所，江蘇 無錫 214072）

設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙和3軸電子陀螺儀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案以 MEGA2560為開發(fā)板，Arduino IDE為開發(fā)平臺(tái)，可以在安卓設(shè)備上通過藍(lán)牙接收到人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該系統(tǒng)通過檢測人體三軸與地磁三軸的夾角變換來判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)人體跌倒時(shí)，人體三軸會(huì)和地磁三軸產(chǎn)生偏角，當(dāng)偏角達(dá)到設(shè)定的角度時(shí)，藍(lán)牙模塊即會(huì)發(fā)出信號，此時(shí) Android 設(shè)備就會(huì)接收到摔倒的信息。該系統(tǒng)還具有低功耗、體積小的特點(diǎn)。

3軸電子陀螺儀；運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)；藍(lán)牙

1 引言

當(dāng)今社會(huì)是老齡化社會(huì)，我國的老齡化現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國老年人人口數(shù)量位居世界第一，在這個(gè)大環(huán)境下，關(guān)注老年人健康成為了一個(gè)重要的民生問題。對于老年人的健康來說，跌倒是一個(gè)重要的影響因素。周圍老年人意外跌倒時(shí)，若不伸出援手，也許會(huì)耽誤救援的最佳時(shí)間從而對老年人的身心健康產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[1]。

因此，研制一款專門為檢測老年人跌倒的系統(tǒng)迫在眉睫，在對老年人正常生活沒有任何影響的情況下，將跌倒與其他日?；顒?dòng)區(qū)分開來，判斷老年人是否跌倒，并傳送到移動(dòng)設(shè)備上，以求及時(shí)的報(bào)警救治。

在現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)計(jì)中，多數(shù)采用的是三軸加速度傳感器[2]。但此種方法存在不穩(wěn)定因素，加速度的不穩(wěn)定變化會(huì)使系統(tǒng)對人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行誤判。本文中采用的傳感器則是通過檢測人體三軸與地磁三軸的夾角變換判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如圖1所示，由于地磁三軸方向不會(huì)因人為因素而變化，因此當(dāng)人體狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，人體三軸發(fā)生偏移，并且會(huì)和地磁三軸產(chǎn)生夾角變化，當(dāng)夾角的變化值很大時(shí)，可判斷出人體發(fā)生跌倒。這種方法計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為精確，不易發(fā)生誤判斷。

圖1 人體三軸方向與地磁三軸方向

2 系統(tǒng)內(nèi)部具體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分：

（1）三軸模塊接收人體狀態(tài)數(shù)據(jù)；

（2）MEGA2560 開發(fā)板上加入跌倒判斷部分代碼；

（3）藍(lán)牙模塊通過串口發(fā)出信號；

（4）安卓設(shè)備接收藍(lán)牙信號，顯示跌倒判斷。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2.1 三軸模塊的設(shè)計(jì)

HMC5883L 是一款高集成、低成本的三軸電子陀螺儀模塊。它能夠檢測到弱磁場環(huán)境并與數(shù)字芯片相連接，且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消磁和放大信號的功能。通過Arduino 平臺(tái)編寫相應(yīng)的程序，使得模塊檢測到的與地磁三軸的夾角以數(shù)據(jù)的模式顯示出來，并控制在0°～360°之間。重要代碼部分如圖3 所示。

圖3 HMC5883L 重要代碼

2.2 判斷跌倒?fàn)顟B(tài)設(shè)計(jì)

據(jù)研究表明，人體跌倒的持續(xù)時(shí)間一般為 1～3 s[3]。當(dāng)人體 z軸發(fā)生大于50°的偏轉(zhuǎn)時(shí)，就可判定為發(fā)生跌倒。由此將三軸模塊固定在整體裝置上，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置可以觀測到模塊 Z 軸與地磁 Z 軸夾角在0°～50°及310°～360°時(shí)為假定人體的安全狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，編寫判斷跌倒的語句，使系統(tǒng)在檢測到人體跌倒發(fā)生時(shí)輸出“People Down!”的語句。當(dāng)人體狀態(tài)正常時(shí)，則不輸出。

2.3 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

選取了一款 DX-BT05 4.0藍(lán)牙模塊。該模塊具有超低待機(jī)功耗（90～400 μA），超遠(yuǎn)連接距離（10m），超快反應(yīng)速度（0.4 s），傳輸速率達(dá)3kbytes/s。本設(shè)計(jì)將藍(lán)牙模塊的發(fā)送與接收端連接到單片機(jī)上的串口輸入輸出端。該藍(lán)牙模塊將直接匹配連接，把開發(fā)板上接收到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙直接發(fā)送出去。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 三軸模塊數(shù)據(jù)分析

編譯成功后的結(jié)果如圖4所示，轉(zhuǎn)動(dòng)模塊的同時(shí)顯示出三軸夾角角度的變化。

圖4 角度變化結(jié)果

由于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是佩戴在人體的腰部，根據(jù)圖1的人體三軸方向，我們對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。調(diào)整三軸模塊方向，使它面對正前方時(shí) x、y、z的數(shù)據(jù)都為0。當(dāng)x軸與y軸的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，表明使用者發(fā)生了向左或向右的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)z軸數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，表明使用者發(fā)生了傾倒。向前傾倒的角度為所測得的數(shù)據(jù)，而向后傾倒的角度為360°減去所測得的數(shù)據(jù)。當(dāng)3個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來的時(shí)候，就能大致推算出使用者當(dāng)前所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.2 安卓設(shè)備顯示

在安卓設(shè)備上安裝可以接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)的相應(yīng)app，打開app后即能搜索到藍(lán)牙模塊所發(fā)出的信號，如圖5所示。匹配連接藍(lán)牙模塊后，當(dāng)人體發(fā)生跌倒時(shí)，設(shè)計(jì)輸出的“People Down!”語句就會(huì)在設(shè)備上顯示，如圖6所示。這就完成了跌倒系統(tǒng)裝置與移動(dòng)設(shè)備的連接，使之成為一個(gè)整體。

圖5 搜索到藍(lán)牙設(shè)備

圖6 安卓設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的方案體積小，功耗少，且檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確。將檢測系統(tǒng)與智能移動(dòng)設(shè)備連接起來，提高了檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，能實(shí)時(shí)觀測到使用者的狀態(tài)。如果要開發(fā)一款穿戴式的跌倒報(bào)警裝置，本次設(shè)計(jì)可作為一個(gè)簡單的參考。本系統(tǒng)可以開發(fā)配套app，當(dāng)發(fā)生跌倒情況時(shí)，可以向老人子女的移動(dòng)終端設(shè)備發(fā)出報(bào)警。添加GPS或者北斗導(dǎo)航模塊，可以發(fā)送準(zhǔn)確跌倒發(fā)生地點(diǎn)。

本系統(tǒng)如添加穿戴式脈搏、血壓設(shè)備組成老年人健康監(jiān)控器，并組網(wǎng)形成社區(qū)級別的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，只要老人發(fā)生異常情況，社區(qū)或者社區(qū)醫(yī)院就可以在第一時(shí)間接到報(bào)警并及時(shí)處理。

[1]Adler-Traines M．Falls in the senior population[J]．Phys Ther Forum，1994，9：14-17．

[2]石欣，熊慶字，雷璐寧．基于壓力傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31(3)：715-720．

[3]Xinguo Yu．Approaches and Principles of Fall Detection for Elderly and Patient[C].2008 10th IEEE Intl Conf on e-Health Networking，Applications and Service，2008：42-47．

Design of Fall Detection System Based on Bluetooth and 3-Axis Electronic Gyroscope

WANG Bin,XIAO Ziyi
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China）

The paper presentsa design ofmotion detection system based on Bluetooth and3axis electronic gyroscope.During the design,MEGA2560 is used as the development board and Arduino IDE the developmentplatform.The system receivesmotion state information of human body via Bluetooth embedded in android equipment.The system analyzes themotion state bymeasuring the angle between the3axis of the hum an body and the3axis of the geomagnetic field.The angle changes as human body fall.When the angle reaches threshold,the Bluetoothmodulew ill immediately sendAsignal to the android equipment.The system isof low power consumption and smallsize.

3 axisgyroscope;motion detection system;bluetooth

TN409

A

1681-1070 （2017） 03-0045-03

王 彬（1982—），男，吉林省吉林市人，2009年畢業(yè)于韓國清州大學(xué)電子工學(xué)院，碩士學(xué)歷，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第 58研究所從事電源系統(tǒng)研究工作，主要研究方向?yàn)橹绷鏖_關(guān)電源、交流開關(guān)電源、防雷擊設(shè)計(jì)、電磁兼容等。

2016-7-4