智慧健康養(yǎng)老系統(tǒng)中跌倒檢測裝置設(shè)計與實現(xiàn)

王瑞江

本項目擬開發(fā)一款基于無線傳感技術(shù)的跌倒裝置，此跌倒裝置可連接手機(jī)等智能終端，從而實現(xiàn)提醒跌倒者家屬的功能。結(jié)合3D Accelerometer工作原理和藍(lán)牙等技術(shù)，打破普通跌倒檢測裝置的局限性，使此裝置能在無線信號覆蓋范圍內(nèi)自動檢測出老年人是否摔倒。通過實際的案例分析來證明檢測設(shè)計的合理性，并反饋設(shè)計出更為優(yōu)化的產(chǎn)品功能。

【關(guān)鍵詞】跌倒裝置 藍(lán)牙 3D Accelerometer

隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏的不斷加快，越來越多的家屬把自己的精力都集中在了工作上，而時常忽略了家里老人的身體狀況。老年人的身體健康是很多家屬最擔(dān)憂的問題之一。這一現(xiàn)象間接地增加了很多上班族的工作壓力。為了更好地解決這一現(xiàn)象，我們參考多方面資料，分析大眾的需求，對已有的類似跌倒檢測產(chǎn)品所存在的弊端進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品都無法準(zhǔn)確地判斷老年人的跌倒情況，我們所設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)合各項技術(shù)，解決了原有產(chǎn)品所存在的弊端，使其適應(yīng)當(dāng)今社會大多數(shù)人群的需求，更好地保障了老年人的健康。跌倒檢測裝置旨在消除現(xiàn)代家屬對老年人生活的擔(dān)憂，更好地維護(hù)老年人的身體狀況。

1 跌倒檢測裝置研究

研究目的在于探索人體跌倒檢測儀的設(shè)計理論和具體優(yōu)化的實施對策，通過實際的案例分析證明檢測設(shè)計的合理性，優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容。

理論意義在于將儀器設(shè)計，現(xiàn)代化信息與經(jīng)濟(jì)發(fā)展融合，從創(chuàng)新研發(fā)的角度來講符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)運作的內(nèi)在要求，切合受眾接受的購買需求。

我國人體跌倒檢測儀的研制和開發(fā)仍處于探索和試驗階段，國內(nèi)尚未真正出現(xiàn)具有獨立自主研發(fā)的檢測儀設(shè)施，其實踐意義對于提升老年人護(hù)理，減少社會養(yǎng)老負(fù)擔(dān)等都十分重要。

跌倒檢測儀是針對“人跌倒行為”而設(shè)計的重要的科學(xué)儀器。這種檢測儀是實時檢測人體心電信號參數(shù)和人體位置的變化的集成老人生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的重要組成部分。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳感器模塊

由于我們是要測佩戴的各種狀態(tài)，所以我們需要的是運動處理傳感器。我們采用的是MPU-6050。MPU-6050為全球首例整合6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速度時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。MPU-6050可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，可在不同電壓下工作，以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)、歐拉角公式的融合演算數(shù)據(jù)。

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。如今的藍(lán)牙技術(shù)被IEEE列為IEEE 802.15.1。我們采用HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊。把傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙的RXD和TXD接受和發(fā)送到另一個客戶端。成熟的藍(lán)牙技術(shù)使信息的傳輸更加簡便。模塊默認(rèn)波特率9600、默認(rèn)配對密碼1111、默認(rèn)名稱HC-05。AT模式波特率固定38400，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗的通信格式。

2.3 STM32開發(fā)板

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。將各個模塊集成到開發(fā)板上實現(xiàn)各個模塊的功能。

系統(tǒng)總體模塊框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 IMU傳感器

IMU數(shù)據(jù)采集流程包括數(shù)據(jù)采集處理芯片STM32和傳感器的初始化，即首先對STM32芯片系統(tǒng)上電初始化，完成I2C接口初始化和串口初始化，然后對傳感器配置進(jìn)行初始化。

3.2 藍(lán)牙無線模塊配置

藍(lán)牙HC-05是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，可以使其工作在主或從機(jī)狀態(tài)。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備配對連接成功后，無需考慮藍(lán)牙內(nèi)部通信協(xié)議， 直接將藍(lán)牙作為串口使用。連接建立后，兩設(shè)備共同使用一通道，一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另一個設(shè)備可以接受通道中的數(shù)據(jù)。為建立這種通道連接，需要將藍(lán)牙設(shè)置為能進(jìn)行配對連接的AT模式。使用藍(lán)牙模塊的AT指令對其進(jìn)行配置，將模塊設(shè)置為從機(jī)模式，依次輸入指令。

AT+ROLE=0//藍(lán)牙為從模式

AT+CMODE=0 //藍(lán)牙連接模式為任意地址連接模式

AT+PSWD=1111 //藍(lán)牙配對密碼為1111

AT+UART=9600，0，0 //藍(lán)牙通信串口波特率為9600，停止位1位，無校驗位

3.3 對MPU6050初始化

MPU6050軟件配置流程如下：

（1）復(fù)位MPU6050，將電源管理器寄存器1（0X6B）的寄存器值設(shè)置為0X80，讓MPU6050內(nèi)部所有寄存器恢復(fù)默認(rèn)值。

（2）喚醒MPU6050，復(fù)位后將寄存器值設(shè)置為0X00。

（3）設(shè)置角速度傳感器和加速度傳感器的滿量程范圍。通過陀螺儀配置寄存器（0X1B）和加速度配置寄存器（0X1C）陀螺儀的滿量程范圍為± 2000dps，加速度傳感器的滿量程范圍為± 2g。

（4）配置中斷。通過中斷使能寄存器（0X38）的值設(shè)置為0X00，關(guān)閉所有中斷。

（5）設(shè)置AUX IIC接口。通過用戶控制寄存器（0X6A）的值設(shè)置為0X00，關(guān)閉AUX IIC接口

（6）配置陀螺儀采樣率。通過陀螺儀采樣率分頻寄存器（0X19）設(shè)置采樣率為50。

（7）設(shè)置數(shù)字低通濾波器。通過配置寄存器（0X1A）設(shè)置數(shù)字低通濾波器為帶寬的二分之一

（8）配置系統(tǒng)時鐘源。選擇x 軸陀螺 PLL 作為時鐘源，以獲得更高精度的時鐘。

（9）使能角速度傳感器和加速度傳感器。通過電源管理寄存器2（0X6C）設(shè)置對應(yīng)位為0即可開啟。

跌倒檢測算法流程圖如圖2所示。

4 結(jié)束語

本文從分析目前應(yīng)用市場中相關(guān)跌倒檢測裝置的功能不足出發(fā)，將跌倒檢測裝置和藍(lán)牙功能進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一款跌倒檢測儀器。這款儀器將滿足現(xiàn)今老人的需求，增加子女的放心程度，提高人們的生活質(zhì)量。

（通訊作者：潘巨龍）

參考文獻(xiàn)

[1]曹蓬，潘盛輝.基于藍(lán)牙技術(shù)的運動檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（06）：20-22.

[2]王勇.基于藍(lán)牙技術(shù)的脈搏血氧儀設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（20）.

[3]李冬，梁山.基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測裝置設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（09）：85-88.

[4]馬少卿，孫榮霞，馬征.基于單片機(jī)的老人跌倒檢測裝置[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017，36（09）：100-102，105.

[5]王露，鄧豪.基于STM32的中老年人跌倒監(jiān)測裝置研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（03）：18-19.

作者單位

中國計量大學(xué)信息工程學(xué)院 浙江省杭州市 310018