基于智能終端的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)分析

李圣普+王小輝

摘 要：基于智能終端的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)移動(dòng)終端自身傳感器檢測(cè)跌倒?fàn)顟B(tài)，并及時(shí)的將求救信息發(fā)送給家人或醫(yī)護(hù)人員。本文研究利用智能終端來(lái)檢測(cè)跌倒事件的解決方案，研究?jī)?nèi)容可分為跌倒過(guò)程分析及模型建立、跌倒檢測(cè)算法設(shè)計(jì)、算法評(píng)價(jià)、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)四個(gè)部分。文中主要從項(xiàng)目的功能設(shè)計(jì)、模塊劃分和技術(shù)分析完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并建立系統(tǒng)模型。

關(guān)鍵詞：智能終端 跌倒檢測(cè) 總體設(shè)計(jì) 技術(shù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（b）-0002-02

老人跌倒發(fā)生時(shí)，基于智能終端的跌倒檢測(cè)軟件，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)跌倒?fàn)顟B(tài)，遠(yuǎn)程發(fā)送求救信息，保存跌倒數(shù)據(jù)等功能，為老人贏得寶貴的治療時(shí)間，大大降低老人因跌倒導(dǎo)致的傷殘率和死亡率，對(duì)于提高老人晚年生活質(zhì)量，減少家庭壓力，緩解社會(huì)道德問(wèn)題矛盾具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。總體設(shè)計(jì)的完成是實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的前提。本文將結(jié)合功能設(shè)計(jì)、模塊劃分和技術(shù)分析3個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)做詳細(xì)的說(shuō)明。

1 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于Android的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能主要包括跌倒檢測(cè)，跌倒呼救，呼救記錄，記錄查詢，系統(tǒng)設(shè)置等。

通過(guò)分析本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置，跌倒檢測(cè)判定，一鍵呼救，記錄查詢等模塊。

2 模塊具體劃分

系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樗拇竽K，分別是系統(tǒng)設(shè)置模塊、跌倒檢測(cè)模塊、一鍵呼救模塊、記錄查詢查詢模塊。

各模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能如下。

（1）系統(tǒng)設(shè)置：系統(tǒng)偏好設(shè)置，包括聯(lián)系方式和呼救方式的選擇。

（2）跌倒檢測(cè)：根據(jù)跌倒檢測(cè)算法，對(duì)跌倒發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出跌倒判定，并記錄當(dāng)前信息，發(fā)出求救信號(hào)。

（3）一鍵呼救：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，點(diǎn)擊后立即發(fā)出求救信號(hào)。

（4）記錄查詢：進(jìn)入后查看呼救記錄，點(diǎn)擊可查看記錄詳情。

3 技術(shù)分析

正常人的身體，會(huì)在跌倒時(shí)，產(chǎn)生向一個(gè)方向傾斜的狀態(tài)，從而不受控的失衡。身體會(huì)在發(fā)生跌倒時(shí)，瞬間向移動(dòng)方向傾倒，身體重心的偏移會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度值，系統(tǒng)可以以此值來(lái)判定老人跌倒?fàn)顟B(tài)。

3.1 坐標(biāo)分析

二維的笛卡爾坐標(biāo)系是原始的坐標(biāo)系。在二維的基礎(chǔ)上，根據(jù)右手定則增加第三維坐標(biāo)（Z軸）形成了三維笛卡爾坐標(biāo)系。若定義一個(gè)原點(diǎn)的位置（0，0，0），則使用（X，Y，Z）可以表示坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)。以此可以表示空間上的任意一點(diǎn)，并可表示相關(guān)變化值[1]。如圖1所示。

3.2 加速度傳感器的工作原理

移動(dòng)設(shè)備在三維空間中的加速度可以通過(guò)Android內(nèi)置的加速度傳感器檢獲取到，通過(guò)傳回對(duì)應(yīng)的3個(gè)方向的參數(shù)數(shù)值進(jìn)行分析，可以判定出物體的加速度及運(yùn)動(dòng)方式。3個(gè)坐標(biāo)軸的方向分別為：X軸正方向平行于屏幕，從屏幕左方指向右方，Y軸正方向?yàn)槠叫衅聊?，從屏幕的下方指向上方，Z軸正方向?yàn)榇怪逼聊?，指向于屏幕外[2]，如圖2所示。

需要注意的是計(jì)算物體實(shí)際加速度需要考慮重力作用，而加速度傳感器傳回的數(shù)值只能反映設(shè)備本身外力所產(chǎn)生的加速度[3]。原因是傳感器坐標(biāo)系中的加速度（即手機(jī)設(shè)備本身實(shí)際的加速度），并非從加速度傳感器中獲取到的加速度參數(shù)值。傳感器加速度是將重力計(jì)算在內(nèi)。

3.3 跌倒的閾值判斷

跌倒的定義是，在無(wú)意識(shí)的條件下，一個(gè)人從站立或平坐姿態(tài)向躺倒姿勢(shì)的轉(zhuǎn)變。這一姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，重力是這個(gè)過(guò)程中的主要因素。加速度和位移在人的跌倒過(guò)程中，均發(fā)生了變化，利用傳感器傳回的數(shù)值，可以對(duì)使用者的狀態(tài)進(jìn)行建模，以此來(lái)對(duì)使用者的身體姿態(tài)進(jìn)行分析[4]。在姿態(tài)的分析中，如果能夠判斷并排除劇烈運(yùn)動(dòng)、正常運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤報(bào)情況，能夠?qū)μ岣邫z測(cè)的準(zhǔn)確率有極大的幫助。

3.4 跌倒算法的實(shí)現(xiàn)

由于跌倒事件具有不確定性，故無(wú)法預(yù)知跌倒的方向，所以用某一軸向的加速度數(shù)據(jù)的方式來(lái)判斷跌倒發(fā)生的方式不太合適。故使用SMV閾值的跌倒檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)跌倒，這種方法忽略了加速度的空間方向，通過(guò)空間加速度進(jìn)行矢量和運(yùn)算，利用矢量與閾值的相比較來(lái)初步判斷是否跌倒[5]。

當(dāng)傳感器的X，Y，Z三個(gè)數(shù)據(jù)劇增并達(dá)到閾值時(shí)，就初步判定跌倒，然后進(jìn)一步確認(rèn)是否發(fā)生跌倒，即在接下來(lái)的幾個(gè)持續(xù)時(shí)間間隔內(nèi)，如果傳感器傳回的數(shù)值幾乎不變并且趨近于零，則進(jìn)行判斷：若為零則進(jìn)入下一步判斷（此處用來(lái)排除一些劇烈活動(dòng)或者正常活動(dòng)），在這里用一個(gè)確認(rèn)框的設(shè)置（確認(rèn)是否發(fā)送急救短信）來(lái)排除一些無(wú)法預(yù)期的活動(dòng)而產(chǎn)生的誤報(bào)，點(diǎn)擊確認(rèn)框按鈕或不操作等待180s，軟件就會(huì)判定老人跌倒了，這是軟件會(huì)發(fā)送求救信息給老人的監(jiān)護(hù)人，監(jiān)護(hù)人收到短信后可通過(guò)查看跌倒位置或者通過(guò)電話確認(rèn)老人是否跌倒，若跌倒則采取救治措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)分析系統(tǒng)的總體架構(gòu)來(lái)介紹跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)功能進(jìn)行基本的設(shè)計(jì)，按照功能的需求對(duì)模塊進(jìn)行了具體的劃分，最后，對(duì)用到的核心技術(shù)進(jìn)行分析，為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)做好準(zhǔn)備。

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