老年人意外摔倒智能報警腰帶系統(tǒng)的研究

鄢麗娟 張彥虎

摘要

隨著我國人口老齡化趨勢增加，如何照看老年人成為社會關(guān)注的焦點。系統(tǒng)在對手表式報警系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了硬件改進(jìn)升級，通過人體心率傳感器、體溫傳感器采集老人生理狀態(tài)數(shù)據(jù);加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器多傳感器相互配合來判斷老人是否摔倒，一旦確認(rèn)摔倒后立刻通過遠(yuǎn)程通信通知監(jiān)護(hù)人，使其能夠獲得及時救助。研究結(jié)果表明：老人意外摔倒智能報警腰帶監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地為老人的健康及安全出行增添一份強有力的保障。

【關(guān)鍵詞】報警腰帶 智能手表 摔倒檢測 GPS定位 加速度傳感器 遠(yuǎn)程通信

隨著人口的老齡化程度加速加深，中國的養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)正作為最具潛力的產(chǎn)業(yè)之一而不斷發(fā)展，政府在十三五規(guī)劃中，在養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域提出了積極開展應(yīng)對人口老齡化行動的相關(guān)舉措。顯然，中國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，老年人的安全問題如何更好地解決是當(dāng)今的焦點社會問題之一。由于老年人聽力、視力、認(rèn)知水平、平衡協(xié)調(diào)能力等方面的下降，以及腦血管疾病、骨質(zhì)疏松等慢性疾病的增加，老年人跌倒事件發(fā)生的概率大大增加，所引發(fā)的各種社會問題已經(jīng)不容忽視了，因此，開展對老年人摔倒報警系統(tǒng)的研究極為重要。

1研究現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以通過便攜式電子設(shè)備檢測人體的跌倒。目前，國外已經(jīng)有針對老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)研究，如：A.Blake borough[7]設(shè)計的房間內(nèi)基于地板振動檢測的跌倒檢測器。A.Sixsmith等[8]研制的基于紅外信號和圖像信息的檢測器。但是由于成本，便攜性和應(yīng)用范圍的限制，其應(yīng)用推廣受到限制。國內(nèi)尚無遠(yuǎn)程監(jiān)測跌倒的產(chǎn)品，但關(guān)于跌倒監(jiān)測算法和系統(tǒng)設(shè)計的研究很多，如：汪波濤等[9]基于多點傳感融合算法的人體跌倒監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103作為核心處理器，在手腕、腰部、腳踝上使用MPU9250九軸姿態(tài)傳感器協(xié)助進(jìn)行人體姿態(tài)監(jiān)測，提出了基于多傳感器區(qū)協(xié)作融合的方法，用于準(zhǔn)確監(jiān)測人體跌倒?fàn)顟B(tài)，降低誤報率，并利用藍(lán)牙4.0技術(shù)形成人體監(jiān)測體域網(wǎng)。在手腕上加設(shè)取消報警按鈕，進(jìn)一步減少誤報率。謝開明等[10]設(shè)計的基于GPRS的跌倒檢測報警系統(tǒng)，在SMV閾值算法基礎(chǔ)上，輔以傾角檢測，提高了算法的有效性，可以更有效的區(qū)分日常生活和跌倒。江進(jìn)寶等[11]設(shè)計的基于智能手表的老人摔倒及其生理監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品及解決方案，能在一定程度內(nèi)解決老年人防摔倒項目的部分問題，系統(tǒng)采用的是以智能手表作用系統(tǒng)的穿戴裝配硬件，手表雖然是現(xiàn)代非常熱門的智能產(chǎn)品外觀形式，但是作為老年人防摔倒產(chǎn)品還是存在一定的不足，其原因是，手表式防摔倒系統(tǒng)沒有充分利用人體工程學(xué)原理，產(chǎn)品的技術(shù)核心是利用加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器三者相互配合來實現(xiàn)對老人體位變化進(jìn)行實時監(jiān)測，而產(chǎn)品佩戴位置相比較用于跌倒系統(tǒng)檢測而言，腰部相比手腕更符合人體工程學(xué)，收集的加速度值和陀螺儀等數(shù)據(jù)值對判斷摔倒姿勢更為準(zhǔn)確，可以大大降低產(chǎn)品的誤報率，提高產(chǎn)品的實用性。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所設(shè)計的智能報警腰帶包括硬件和手機APP兩部分。硬件由老人來穿戴、軟件通過監(jiān)護(hù)人手機進(jìn)行安裝。

腰帶穿戴后該系統(tǒng)的各模塊對老人的生理狀態(tài)進(jìn)行實時的檢測，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如有任何異常變化趨勢，都會發(fā)送報警信號到監(jiān)護(hù)人手機。摔倒模塊使用加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器的組合綜合判斷出老人摔倒時，主控系統(tǒng)立即發(fā)出摔倒報警信號，并且語音報警模塊立即打開以產(chǎn)生報警聲音，同時遠(yuǎn)程通信模塊向監(jiān)護(hù)人發(fā)送摔倒警報信息和老人的當(dāng)前位置信息。監(jiān)護(hù)人可隨時在手機端查看老人的位置以及身體基本狀況。APP與腰帶交互通信設(shè)計如圖1。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用腰帶形式為智能產(chǎn)品外觀，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。根據(jù)人體工程學(xué)，腰部是人體重心所在，系在腰上又穩(wěn)定，跟手環(huán)手表等設(shè)備外觀相比，有天然獨到的優(yōu)勢。

智能防摔倒腰帶的硬件系統(tǒng)包括主控模塊、人體生理狀態(tài)檢測、遠(yuǎn)程通信模塊、摔倒檢測模塊、GPS定位模塊和語音報警模塊。監(jiān)護(hù)人和系統(tǒng)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)相互通信。主控模塊采用MSP430芯片作為整個系統(tǒng)的控制芯片，負(fù)責(zé)確定摔倒報警信號，提取GPS定位信息，控制報警聲音的開關(guān)等功能。

4核心模塊設(shè)計

4.1摔倒檢測模塊

4.1.1摔倒檢測分析

人體正?；顒訒r，產(chǎn)生的加速度是有限的。但是在發(fā)生摔倒時，摔倒一般持續(xù)的時間較短，大約在l-2s之內(nèi)，當(dāng)身體失去平衡后，身體會在某一瞬間傾斜，身體的劇烈動作會使加速度發(fā)生很大的改變。多數(shù)情況下，摔倒發(fā)生后人體的身體姿態(tài)也會改變，一般由站立或者平坐轉(zhuǎn)變成躺倒，而身體各個部位的加速度、速度以及位移也發(fā)生巨大變化，我們以產(chǎn)生的加速度值來判斷老人是否跌倒。

4.1.2摔倒檢測算法

智能腰帶通過內(nèi)置多個傳感器來獲取體位信息，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等。通過三層檢測實現(xiàn)對老人是否摔倒做出準(zhǔn)確檢測。加速度傳感器獲取人體摔倒前三個軸向的加速度、摔倒前后的加速度差值。陀螺儀傳感器可以根據(jù)物體的實時運動產(chǎn)生不同的參數(shù)值。壓力傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測物體各個方向的壓力變化，并通過它們監(jiān)測老人的行走和各種姿勢，并通過三者的相應(yīng)變化，來綜合判斷老人是否摔倒。若超過設(shè)定的閾值，則生成摔倒報警信號觸發(fā)語音報警模塊。

由于人體運動過程具有復(fù)雜多樣性特點，具有不確定性，但不同運動又具有典型特征，提取姿態(tài)特征向量區(qū)別不同運動類型，人體運動特征向量包括速度、加速度、加速度向量差值SVM（ Signal vector magnitude）、微分加速度幅值平均絕對值MADS（ Mean absolute value ofdifferential）、偏航角yaw等。人體摔倒是一種瞬時的劇烈活動，這個過程可以分解為初始安全、失去平衡、撞擊地面、倒地平衡靜止幾種狀態(tài)，摔倒方向有前傾、后仰、左側(cè)、右側(cè)，如圖2所示。

人體由安全狀態(tài)到摔倒?fàn)顟B(tài)加速度及加速向量差值SVM變化過程由零增加再減小，微分加速度幅值平均絕對值MADS變化過程由零增加再減小;垂直偏航角yaw即人體與地面夾角遠(yuǎn)大于900或小于900，正常直立約為900;系統(tǒng)采用三級閥值判斷人體摔倒?fàn)顟B(tài)，定義人體垂直地面方向為z軸、前后方面為x、左右方向為y軸，具體如下：

（1）

其中：mx、my、mz分別為x、y、z軸的加速度。

MADS

（2）

其中;T為時間周期

yaw =arctan

4.2防誤報模塊

設(shè)置緩沖確認(rèn)時間，以降低摔倒誤報率。當(dāng)系統(tǒng)判定老人摔倒了，我們此時設(shè)定了緩沖時間，如果老人沒有摔倒，他可以選擇不撥打電話或不發(fā)送短信來防止系統(tǒng)誤判。如果老人沒有在60s內(nèi)作出反應(yīng)，那么系統(tǒng)就要自動發(fā)出“求救”信息。

5實驗結(jié)果分析

為測試系統(tǒng)改進(jìn)后的性能，特將手表式系統(tǒng)和腰帶式系統(tǒng)在同樣情景下進(jìn)行了系統(tǒng)測試，系統(tǒng)測試包括3個部分：檢測人體摔倒準(zhǔn)確率、GPS定位誤差、GSM模塊遠(yuǎn)程發(fā)送報警信號實時性。根據(jù)人體日常行為和姿態(tài)，將手表式與腰帶式人體跌倒監(jiān)測系統(tǒng)分別穿戴于手腕和腰部，模擬跑步、走路、坐下、蹲下、上下樓、彎腰、摔倒等大概率行為，在相同的實驗環(huán)境和頻次的前提條件下，進(jìn)行測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性，判斷人體摔倒后GPS測試地點與實際摔倒地點誤差;記錄對比人體摔倒事件發(fā)生時間與手機接收報警信號時間，測試系統(tǒng)實時性，測試結(jié)果如表1所示。

從試驗結(jié)果來看，在跑步環(huán)節(jié)，手表式系統(tǒng)出現(xiàn)誤報1次，腰帶式出現(xiàn)誤報O次;在坐下環(huán)節(jié)中，有靠背情況下兩個系統(tǒng)均出現(xiàn)1次誤報警;蹲下環(huán)節(jié)，手表式系統(tǒng)出現(xiàn)誤報警2次，腰帶式系統(tǒng)0次誤報警;彎腰環(huán)節(jié)中，手表式系統(tǒng)出現(xiàn)誤報警0次，腰帶式系統(tǒng)1次報警;在跌倒環(huán)節(jié)測試中，手表式系統(tǒng)收到報警95次，腰帶式系統(tǒng)收到報警次數(shù)99次。

在上述測試的350次不應(yīng)該出現(xiàn)報警的各種情況下，手表式系統(tǒng)出現(xiàn)跌倒誤報4次，腰帶式系統(tǒng)出現(xiàn)2次。平均誤報率分別為1.14%、0 57%;在100次應(yīng)該出現(xiàn)報警的情況下，手環(huán)式系統(tǒng)有5次未檢測到，腰帶式系統(tǒng)有1次未檢測到。漏報率分別為5%、1%。如表2所示。

經(jīng)過綜合分析實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，腰帶式系統(tǒng)整體綜合平均誤報率

6待拓展模塊

未來科技發(fā)展趨勢的背景下，本文再結(jié)合產(chǎn)品特點和人性化使用體驗，規(guī)劃設(shè)計了如下的幾個拓展功能，在接下來的幾年時間進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化和升級：

（1）腰帶與老人行走輔助器的合二為一功能;

（2）智能腰帶的冬夏智能取暖降溫功能。

7結(jié)束語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的老人意外摔倒報警腰帶系統(tǒng)的設(shè)計方案，生產(chǎn)成本低，準(zhǔn)確率高，實用性強，且硬件產(chǎn)品外觀設(shè)計科學(xué)，便于攜帶，符合當(dāng)前市場發(fā)展趨勢，未來將受到許多老年人家庭用戶的關(guān)注，這款防摔倒智能報警腰帶系統(tǒng)的研究實現(xiàn)，將在一定程度上緩解我國步入老齡化社會所面臨的壓力，智能防摔倒腰帶的研究可以實現(xiàn)更好地將科技創(chuàng)新技術(shù)服務(wù)于老年人的生活，用智能科技改善老年人生活質(zhì)量，能夠幫助家人在忙于工作的同時可以更全面周全地給予老年人親情照顧。

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