一種可穿戴式跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尤若寧，莊偉萍

中國(guó)人民解放軍第一七四醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 廈門(mén) 361003

一種可穿戴式跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尤若寧，莊偉萍

中國(guó)人民解放軍第一七四醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 廈門(mén) 361003

目的研制一種可穿戴式的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，能夠在佩戴者跌倒時(shí)發(fā)出報(bào)警，并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通知相關(guān)人員。方法通過(guò)陀螺儀搜集人體3軸加速度信息，采用藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端APP并進(jìn)行計(jì)算與判別，若判別為佩戴者跌倒，則APP控制手機(jī)發(fā)出報(bào)警并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通知相關(guān)監(jiān)護(hù)人員。結(jié)果經(jīng)測(cè)試，本跌倒報(bào)警系統(tǒng)可穿戴，重量輕，跌倒?fàn)顟B(tài)識(shí)別準(zhǔn)確，能夠在跌倒時(shí)發(fā)出報(bào)警，并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通知相關(guān)監(jiān)護(hù)人員。結(jié)論本系統(tǒng)采用新型6軸運(yùn)動(dòng)處理組件及藍(lán)牙4.0芯片，整機(jī)功耗低，一顆紐扣電池即可運(yùn)行超過(guò)半年；數(shù)據(jù)在手機(jī)端進(jìn)行處理，處理速度快、精度高，實(shí)時(shí)性好，判斷準(zhǔn)確；本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判別跌倒?fàn)顟B(tài)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，在老年人等特殊人群發(fā)生跌倒后能夠及時(shí)獲得救助。

可穿戴；陀螺儀；藍(lán)牙；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；跌倒檢測(cè)；報(bào)警

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，跌倒已成為除交通事故外第二大致死原因，也是老年人發(fā)生意外傷害的首要原因。而跌倒后沒(méi)有得到及時(shí)救治或是發(fā)生二次傷害則是跌倒致死的最主要原因。因此能夠第一時(shí)間檢測(cè)到老年人跌倒的發(fā)生并發(fā)出報(bào)警，及時(shí)通知其監(jiān)護(hù)人員，可以為救治老年人贏得寶貴時(shí)間[1]。

近年來(lái)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外均有快速的發(fā)展。目前跌倒檢測(cè)系統(tǒng)主要分為基于視覺(jué)圖像的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)、基于環(huán)境的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)及可穿戴式的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)。其中基于視覺(jué)圖像的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度最高，但其計(jì)算量巨大、成本高，且只能在裝有攝像頭的室內(nèi)使用；基于環(huán)境的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)需要在室內(nèi)布置各類(lèi)傳感器，且只能在室內(nèi)使用；可穿戴式的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)有一定的誤判率，但其成本最低，計(jì)算量小，成為跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的最主要發(fā)展方向。在跌倒檢測(cè)算法方面，大部分系統(tǒng)均采用閾值法，采用極限學(xué)習(xí)機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能進(jìn)行檢測(cè)的算法目前已有外國(guó)研發(fā)人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)與測(cè)試[2]。

本文設(shè)計(jì)一種可穿戴式的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)陀螺儀搜集人體3軸加速度信息，采用低功耗藍(lán)牙將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)射到智能手機(jī)，通過(guò)智能手機(jī)上的應(yīng)用程序（APP）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、分析，判別是否發(fā)生跌倒，若判定為佩戴者跌倒則控制智能手機(jī)發(fā)出報(bào)警，并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通知相關(guān)監(jiān)護(hù)人員此情況[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線

本設(shè)計(jì)主要包括兩部分：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和跌倒檢測(cè)軟件算法設(shè)計(jì)。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為通過(guò)MPU6050讀取人體3軸加速度信息，通過(guò)兩線式串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）接口將數(shù)據(jù)傳給片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）藍(lán)牙芯片nRF51822，通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能手機(jī)[4]，由智能手機(jī)上的APP進(jìn)行就算和判別，并根據(jù)具體情況發(fā)出報(bào)警并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通知相關(guān)監(jiān)護(hù)人員[5]。技術(shù)路線框圖，見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 新型陀螺儀MPU6050

MPU6050是全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸加速度計(jì)，并帶有一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（Digital Motion Processor，DMP），可擴(kuò)展為9軸運(yùn)動(dòng)傳感器芯片。其高度集成化，免除了組合陀螺儀和加速度計(jì)時(shí)軸間差的問(wèn)題，同時(shí)縮小了芯片尺寸，減小芯片功耗。MPU6050通過(guò)I2C接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，直接輸出數(shù)字信號(hào)[6]。

MPU6050每次上電后需要進(jìn)行初始化，配置其內(nèi)部的量程、低通濾波器、陀螺儀采樣率等寄存器，以滿足本次設(shè)計(jì)要求。采樣率計(jì)算公式如下：

Sample Rate=Gyroscope Output Rate/(1+SMPLRT_DIV)

其中，Sample Rate為采樣率，Gyroscope Output Rate為陀螺儀的輸出率，SMPLRT_DIV為需要配置的寄存器。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)將加速度輸出量程設(shè)置為±8 g，角速度量程設(shè)置為±1000°/s。

配置上位機(jī)nRF51822的I2C總線，P0.01引腳作為SCL，P0.00作為SDA。其連接圖，見(jiàn)圖2。

圖2 MPU6050接線圖

2.2 SoC主控芯片nRF51822

本設(shè)計(jì)采用Nordic Semiconductor公司生產(chǎn)的SoC芯片nRF51822作為主控芯片，其整合了Nordic的無(wú)線收發(fā)器，一顆32位ARM Cortex M0內(nèi)核、256 kB flash 和16 kB RAM，并集成了timer等多種外設(shè)，采用嵌入式C語(yǔ)言進(jìn)行編程，同時(shí)完全支持藍(lán)牙4.0規(guī)范和專用的2.4 GHz協(xié)議棧[7]。nRF51822接線圖，見(jiàn)圖3。

圖3 nRF51822接線圖

nRF51822采用ARM內(nèi)核，不需要另外增加一塊微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）芯片進(jìn)行控制，能夠通過(guò)編程直接對(duì)MPU6050的I2C接口進(jìn)行讀寫(xiě)操作與時(shí)序控制，并將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行傳輸。同時(shí)nRF51822完全支持藍(lán)牙4.0，且一塊芯片幾個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制與發(fā)送，能夠進(jìn)行藍(lán)牙低功耗技術(shù)（Bluetooth Low Energy，BLE）程序開(kāi)發(fā)，大大降低系統(tǒng)功耗，傳輸距離可達(dá)100 m。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 芯片配置及軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 MPU6050配置

MPU6050每次上電后都需要對(duì)其進(jìn)行初始化，配置其內(nèi)部的各個(gè)寄存器。下面介紹幾個(gè)重要寄存器的配置[8]。

Sample Rate Divider寄存器用于設(shè)置采樣率。其中SMPLRT_DIV為8位無(wú)符號(hào)數(shù)，通過(guò)SMPLRT_DIV對(duì)陀螺儀的輸出頻率進(jìn)行分頻，得到采樣頻率。采樣率的計(jì)算公式為：

Sample Rate=Gyroscope Output Rate/(1+SMPLRT_DIV)

其中，Sample Rate為采樣率，Gyroscope Output Rate為陀螺儀的輸出率，SMPLRT_DIV為需要配置的寄存器。當(dāng)數(shù)字低通濾波器沒(méi)有使能的時(shí)候，陀螺儀的輸出頻率等于8 kHz，反之等于1 kHz。本設(shè)計(jì)使能低通濾波器，故將SMPLRT_DIV設(shè)置為0x07，得到采樣率為1000 Hz。

Configuration寄存器CONFIG用于設(shè)置陀螺儀和加速度計(jì)外部幀同步（FSYNC）引腳采樣和數(shù)字低通濾波器。通過(guò)配置EXT_SYNC_SET，可以對(duì)連接到FSYNC引腳的一個(gè)外部信號(hào)進(jìn)行采樣，這里設(shè)置為0，禁止外部信號(hào)輸入。DLPF_CFG可配置低通濾波器，這里采用默認(rèn)設(shè)計(jì)，即加速度計(jì)濾波帶寬260 Hz、陀螺儀濾波帶寬256 Hz，故將CONFIG設(shè)置為0x00。

Accelerometer Configuration寄存器用于配置加速度計(jì)的量程。其中AFS_SEL為2位無(wú)符號(hào)數(shù)，可配置加速度計(jì)的量程。本設(shè)計(jì)中加速度計(jì)的量程為設(shè)置為±8 g，故將該寄存器設(shè)置為0x08。

Gyroscope Configuration寄存器用于配置陀螺儀的量程。其中GFS_SEL為2位無(wú)符號(hào)數(shù)，可配置陀螺儀的量程。本設(shè)計(jì)中加速度計(jì)的量程為設(shè)置為±1000°/s，故將該寄存器設(shè)置為0x10。

同時(shí)配置Power Management 1（PWR_MGMT_1）等寄存器，關(guān)閉睡眠模式、關(guān)閉溫度傳感器、選擇時(shí)鐘源，設(shè)置MPU6050進(jìn)入正常數(shù)據(jù)采集模式。

3.1.2 nRF51822配置及軟件設(shè)計(jì)

nRF51822支持兩線通信接口（Two-wire interface，TWI），也就是MPU6050使用的的I2C接口，使用其TWI接口需要對(duì)其進(jìn)行初始化[9]。nRF51822總共有32個(gè)通用輸入/輸出（General Purpose Input Output, GPIO）口，每一個(gè)GPIO口都可以通過(guò)其PIN_CNF寄存器單獨(dú)配置，可初始化為SCL和SDA引腳。本設(shè)計(jì)中將P0.01引腳作為SCL，P0.00作為SDA。在初始化結(jié)束時(shí)需要用庫(kù)函數(shù)twi_ master_clear_bus()對(duì)I2C總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，保證之前的狀態(tài)不會(huì)對(duì)后面造成影響。

nRF51822的TWI采用了可編程外圍互連（Programmable Peripheral Interconnect，PPI）機(jī)制，即不同外設(shè)間可通過(guò)tasks和events進(jìn)行自主互動(dòng)而不需要通過(guò)CPU進(jìn)行控制。在初始化時(shí)同樣需要對(duì)PPI進(jìn)行初始化配置，將通道0打開(kāi)。

在TWI進(jìn)行讀寫(xiě)操作是，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不為0的事件發(fā)生時(shí)，通過(guò)PPI機(jī)制觸發(fā)TWI傳輸掛起任務(wù)，數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸；當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1的事件發(fā)生時(shí)，觸發(fā)停止TWI傳輸任務(wù)；當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0的事件發(fā)生時(shí)，TWI接口讀寫(xiě)程序直接終止。

由于nRF51822采用PPI機(jī)制，能夠自主產(chǎn)生I2C對(duì)應(yīng)的時(shí)序信號(hào)，不需要人為進(jìn)行對(duì)SCL和SDA進(jìn)行拉高或拉低并延時(shí)等處理，直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可讀取I2C總線上的數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)后，通過(guò)配置timer從而設(shè)置發(fā)射頻率，通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。I2C總線時(shí)序，見(jiàn)圖4。

圖4 I2C總線時(shí)序

3.2 跌倒檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

考慮到跌倒的突發(fā)性、不自主性，身體在跌倒瞬間時(shí)的3軸加速度和角速度會(huì)發(fā)生劇烈變化，且變化時(shí)間極為短暫僅為數(shù)秒。本設(shè)計(jì)中將3軸加速的和成為人體總加速度[10]，通過(guò)對(duì)總加速度的變化情況和3軸加速度的大小判斷人體所處狀態(tài)，同時(shí)借助角速度的變化情況對(duì)判斷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[11]，若兩者結(jié)果相同則判定為跌倒。

圖5 身體狀態(tài)發(fā)生變化（a）和身體狀態(tài)不變（b）

圖6 跌倒算法流程圖

3.3 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端APP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后判斷是否跌倒，若跌倒，則控制手機(jī)喇叭發(fā)出報(bào)警聲，并將相關(guān)信息打包，發(fā)送給事先保存的監(jiān)護(hù)人員的手機(jī)。打包的信息包括：跌倒發(fā)生的時(shí)間、跌倒的方向、跌倒地點(diǎn)定位等信息[12]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果

本次設(shè)計(jì)對(duì)跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)間檢測(cè)，分為日常動(dòng)作、前摔、后摔、左摔、右摔共5種狀態(tài)[13]，平均準(zhǔn)確率超過(guò)95%。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 (%)

5 小結(jié)

通過(guò)上述對(duì)各種身體狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的可穿戴式跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別出跌倒事件的發(fā)生及跌倒反向，并能及時(shí)發(fā)出報(bào)警。本系統(tǒng)采用藍(lán)牙BLE技術(shù)和高集成化傳感器及SoC芯片，大大降低功耗且數(shù)據(jù)傳輸無(wú)延時(shí)，一塊紐扣電池就能滿足系統(tǒng)持續(xù)工作半年以上[14]；采用智能手機(jī)處理數(shù)據(jù)，算法準(zhǔn)確性高且實(shí)時(shí)性好，能夠在跌倒發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警并發(fā)送短信通知相關(guān)監(jiān)護(hù)人員，贏得寶貴的救護(hù)時(shí)間[15-16]。

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本文編輯 袁雋玲

Design of a Wearable Fall Detection Alarm System

YOU Ruo-ning, ZHUANG Wei-ping

Department of Medical Engineering, the 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

ObjectiveThis study aimed to develop a kind of wearable fall detection alarm system, which could send out alarm when the wearer fell down, and informed relevant staff via mobile network.MethodsThe triaxial acceleration information of the wearer was gathered by gyroscope, then the data was sent to the mobile phone APP by bluetooth for calculation and distinguish. If there was a fall in the discriminant for the wearer, the APP control mobile phones would send out alarm to related care workers via the mobile network.ResultsAfter testing, this fall alarm device was comfortable to wear, and was with features of light weight, falling state recognition accuracy, good alarm effect, informing related care workers via mobile network.ConclusionThis system is designed by adopting the new type 6 axis motion processing module and bluetooth 4.0 chips. The whole machine is low power consumption, and a button battery could run more than half a year. The data processing is conducted on the mobile, with high processing speed, high precision, real-time and accurate judgment. This system can accurately distinguish fall state and send out alarm timely. The special people such as the olds can receive timely aid after fell down.

wearable; gyroscope; bluetooth; mobile network; fall detection; alarm

TP274

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.008

1674-1633(2017)08-0028-05

2016-10-08

2016-10-13

作者郵箱：youruoning@sina.com