基于MSP430的跌倒預(yù)防與報(bào)警的一體化系統(tǒng)

段聲才 陳景澤 葉偉 徐科軍

摘 要：社會(huì)老年人口的大量增加和巨大的跌倒危害使得有關(guān)老年人跌倒問(wèn)題的研究十分重要。本文提出了基于 MSP430的跌倒預(yù)防與報(bào)警的一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)以老人室內(nèi)穿的拖鞋為載體，使用超聲波傳感器檢測(cè)腳部前方障礙物并反饋給老人，從而降低因觸碰障礙物而跌倒的危險(xiǎn)；系統(tǒng)使用新型慣性傳感器MPU6050來(lái)檢測(cè)老人的行為狀態(tài)，采用雙重閾值算法來(lái)判斷老人是否為跌倒?fàn)顟B(tài)，并通過(guò)SIM900A發(fā)送求救信息。我們通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性和系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：跌倒預(yù)防；跌倒檢測(cè)；MSP430；MPU6050

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

有調(diào)查研究顯示，在70歲以上的健康老年人群里，有40%的老人每年至少發(fā)生一次跌倒行為；在護(hù)理機(jī)構(gòu)中的老年人群里，有43%的老人至少發(fā)生一次跌倒行為。老年人由于自身身體原因，室外活動(dòng)較少，更長(zhǎng)時(shí)間居于室內(nèi)，導(dǎo)致超過(guò)50%的老人跌倒案例發(fā)生于室內(nèi)，同時(shí)僅有37.9%的跌倒老人得到及時(shí)救助。老年人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)和跌倒的巨大危害使得老人室內(nèi)跌倒預(yù)防與報(bào)警系統(tǒng)的研制十分必要。在本文中，筆者提出一種基于MSP430的跌倒預(yù)防與報(bào)警一體化系統(tǒng)，適用于獨(dú)自生活或養(yǎng)老院中的老年人。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前跌倒識(shí)別和預(yù)警的方法大致可以分為以下3類：基于視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于環(huán)境感知技術(shù)和基于可穿戴式傳感技術(shù)?；谝曨l監(jiān)測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)使用圖像處理方法，如從背景中分割個(gè)體，提取特征等來(lái)檢測(cè)跌倒。 該方法不需要在使用者身上佩戴任何裝置，但是該方法不能保護(hù)個(gè)人隱私，并且在視頻監(jiān)控有盲點(diǎn)時(shí)具有局限性?；诃h(huán)境感知技術(shù)的裝置包括超聲波傳感器、振動(dòng)傳感器等，通過(guò)分析聲音信號(hào)來(lái)檢測(cè)跌倒。然而，由于正常的生活環(huán)境中存在的過(guò)度噪聲降低了從傳感器獲得的信號(hào)，導(dǎo)致該方法的檢測(cè)精度較低?；诳纱┐魇絺鞲屑夹g(shù)，由于低成本、易用性和高性能等方面的優(yōu)勢(shì)，被歸類為最優(yōu)選合適的和實(shí)用的跌倒監(jiān)測(cè)方法。

現(xiàn)有的跌倒報(bào)警裝置多為獨(dú)立報(bào)警器，且僅有跌倒后的報(bào)警功能，對(duì)于障礙物造成的跌倒，缺乏事前預(yù)防措施。當(dāng)?shù)挂馔獍l(fā)生時(shí)，一般的跌倒報(bào)警器需要老人按下按鈕才會(huì)做出警報(bào)。據(jù)相關(guān)研究顯示，在擁有緊急呼叫按鈕的老年人中，80%在遭遇嚴(yán)重跌倒意外時(shí)未曾使用，甚至有很多老人并沒(méi)有將呼叫按鈕帶在身邊。

基于以上問(wèn)題，筆者提出了基于MSP430的老人跌倒預(yù)防與報(bào)警一體化系統(tǒng)來(lái)緩解跌倒對(duì)于老年人的傷害。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)安裝在老人所穿的拖鞋內(nèi)，解決老人忘記佩戴裝置的問(wèn)題。系統(tǒng)微處理器采用MSP430F5529。當(dāng)老人穿著拖鞋在室內(nèi)行走時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)腳前一定范圍的扇形區(qū)域中是否有障礙物來(lái)降低在水平地面上因觸碰障礙物而跌倒的可能性。同時(shí)，系統(tǒng)使用慣性傳感單元MPU6050來(lái)采集三軸加速度和三軸角速度，采用雙重閾值（閾值1：合加速度閾值；閾值2： 合加速度與三軸的夾角）算法來(lái)監(jiān)測(cè)老人是否為跌倒?fàn)顟B(tài)。當(dāng)判斷老人為跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，MCU先通過(guò) IO口控制蜂鳴器現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，經(jīng)過(guò)20 s后，若老人沒(méi)有手動(dòng)取消報(bào)警，那MCU將會(huì)通過(guò)連接在系統(tǒng)上的 GSM模塊發(fā)送求救信息，使老人在跌倒后能夠及時(shí)獲得救助；若20s內(nèi)，老人手動(dòng)取消了現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，則不發(fā)出報(bào)警信息。

2.2 微處理器

微處理器是一種16位RISC結(jié)構(gòu)、超低功耗單片機(jī)MSP430F5529，具有高達(dá)25MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，128KB閃存、8KBRAM、USB接口、12位ADC等豐富的片內(nèi)外設(shè)，工作電壓范圍為1.8V～3.6V。

2.3 超聲波測(cè)距模塊和震動(dòng)模塊

超聲波測(cè)距模塊（HY-SRF05）由超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路等組成，額定工作電壓5VDC，額定工作電流15mA，非接觸式測(cè)距范圍為2cm～450cm，測(cè)距精度可達(dá)3mm。震動(dòng)模塊包括電流放大電路和微型震動(dòng)電機(jī)（CY1027-00-10），額定工作電壓3V，額定工作電流70mA。

2.4 MEMS慣性傳感單元—MPU6050

MPU6050是一種新型傳感器，它包括3軸陀螺儀，3軸加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP。 MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了3個(gè) 16 位的 ADC，可以將測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。該傳感器工作電壓為5 V，采用400kHz的IIC接口與微處理器進(jìn)行通信，將MPU6050的SDA引腳和SCL引腳分別與MSP430F5529的SDA引腳和SCL引腳相連，即可實(shí)現(xiàn)傳感器和微處理器之間的通信。

2.5 GSM模塊（SIM900A）和蜂鳴器

SIM900A是一款高性能GSM/GPRS模塊，支持RS232串口和TTL串口，支持5V～18V的寬工作電壓。它和 MSP430 F5529單片機(jī)之間的通信采用 TTL電平接口，將 SIM900A的TXD引腳和RXD引腳分別與MSP430F5529的RXD引腳和 TXD引腳相連，即可實(shí)現(xiàn)該模塊和微處理器之間的通信。系統(tǒng)中用于現(xiàn)場(chǎng)聲音報(bào)警的蜂鳴器采用工作電壓為5V的有源蜂鳴器。

3 跌倒預(yù)防與檢測(cè)方法

3.1 跌倒預(yù)防方法

為了降低老人在水平地面上因觸碰障礙物而跌倒的可能性，我們?cè)谕闲哪_尖部安裝超聲測(cè)距模塊，利用超聲波測(cè)距原理檢測(cè)腳前方一定范圍內(nèi)是否有障礙物。如有障礙物，則通過(guò)震動(dòng)模塊震動(dòng)報(bào)警提醒，起到跌倒預(yù)防的作用。

3.2 跌倒預(yù)防算法實(shí)現(xiàn)

MCU的IO口控制超聲波測(cè)距模塊的TRIG引腳，發(fā)送至少10ms的高電平信號(hào)，測(cè)距觸發(fā)；模塊會(huì)自行發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，然后檢測(cè)是否有信號(hào)返回；如果有信號(hào)返回，通過(guò)IO口檢測(cè)到超聲模塊的ECHO引腳輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間即超聲波從發(fā)出到返回的時(shí)間，得到腳尖部到障礙物的距離，即距離=（高電平時(shí)間×聲速）/2 。當(dāng)檢測(cè)到預(yù)設(shè)值（70cm）范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，MCU控制震動(dòng)模塊動(dòng)作，提醒老人注意前方有障礙物。跌倒預(yù)防算法流程圖如圖2所示。

3.3 跌倒檢測(cè)和報(bào)警方法

當(dāng)人體意外摔倒在水平地面的過(guò)程中，人體腳部的加速度和角度與正常活動(dòng)有明顯差別。我們將跌倒檢測(cè)與報(bào)警裝置安裝于右腳拖鞋內(nèi)部，右腳的前方為 Y軸正方向，右方為 X軸正方向，上方為 Z軸正方向。為了簡(jiǎn)化水平地面跌倒問(wèn)題，我們考慮了水平地面上的6種情況：行走，向左跌倒，向右跌倒，小跑，向前跌倒，向后跌倒。本文研究了如何區(qū)別正常行為與跌倒行為。

令X軸方向的加速度為ax，Y軸方向的加速度為 ay，Z軸方向的加速度為 az，合加速度為 a，則合加速度大小為

（1）

|a|表示人體合加速度的向量幅值大小，是一個(gè)表示人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)。a越大，表示人體活動(dòng)越劇烈；a越小，表示人體活動(dòng)越平緩。為了區(qū)分正常行為與跌倒行為，我們進(jìn)行跌倒實(shí)驗(yàn)，并用MATLAB處理數(shù)據(jù)，得到圖3的一組圖。

從圖3可以看出，正常行走的合加速度峰值一般在3g以下，而跌倒的合加速度峰值會(huì)在3g以上，由于裝置安裝在拖鞋內(nèi)部，跌倒時(shí)合加速度會(huì)比安裝在人體其他部位更大，更易于區(qū)分正常行為與跌倒行為，所以取第一閾值為合加速度a=3g。但是，如圖4所示顯示小跑時(shí)加速度圖，其合加速度也會(huì)超過(guò)3g，這個(gè)很容易與跌倒行為混淆。為此，我們加入第二閾值，即合加速度與三軸之間的夾角。理想情況下，當(dāng)人體靜止站立時(shí)，ax=ay=0，az=g，即合加速度a=g，豎直向下；a與Z軸夾角Azr為0°，與X軸夾角Axr和Y軸夾角Ayr為90°。同理，當(dāng)人體向左或向右跌倒在水平地面之后，Axr在-90°或-90°左右；當(dāng)人體向前或向后跌倒在水平地面之后，Ayr在-90°度或90°左右。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們選取合加速度與三軸夾角±75°作為第二閾值。在人體正?；顒?dòng)和跌倒時(shí)，都可能達(dá)到第二閾值，但是正常活動(dòng)時(shí)達(dá)到閾值的時(shí)長(zhǎng)會(huì)非常短暫，而跌倒后人體將有較長(zhǎng)時(shí)間處于閾值范圍內(nèi)。因此，我們要求人體保持這個(gè)閾值4s內(nèi)不變，則判斷發(fā)生跌倒。

3.4 跌倒檢測(cè)和報(bào)警算法

系統(tǒng)MCU先采用IIC通信方式讀取MPU6050寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行跌倒算法運(yùn)算和判斷。實(shí)現(xiàn)過(guò)程可分為如下3個(gè)部分：

（1）判斷合加速度a與第一閾值3 g的大小關(guān)系，若小于3g，則返回繼續(xù)采樣；若大于3 g，則判斷為可能跌倒。

（2）若判斷為可能跌倒?fàn)顟B(tài)，則進(jìn)入第二閾值判斷，檢測(cè)人體角度閾值是否在-90°～-75°或75°～90°范圍內(nèi)。若在這個(gè)范圍維持4s，則進(jìn)入下一步，否則返回上一步。

（3）如果MCU檢測(cè)到人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同時(shí)滿足第一閾值和第二閾值條件，則蜂鳴器鳴叫。接著延時(shí)20s，若20s內(nèi)用戶沒(méi)有手動(dòng)按鍵取消報(bào)警，則判斷老人為跌倒?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生報(bào)警信息，并將此信息通過(guò)GSM模塊傳送給親屬或養(yǎng)老院監(jiān)護(hù)中心，使老人得到及時(shí)救助。具體跌倒檢測(cè)和報(bào)警算法流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)性能評(píng)估和總結(jié)

為了驗(yàn)證方法的有效性和系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，我們進(jìn)行了障礙物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。障礙物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。跌倒檢測(cè)和報(bào)警實(shí)驗(yàn)包括6種試驗(yàn)：正常行走，向左跌倒，向右跌倒，向前跌倒，向后跌倒和小跑?？紤]到安全問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)志愿者為20～30歲的年輕人，每種行為在摔跤墊上進(jìn)行了20次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于表2。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地檢測(cè)到障礙物并報(bào)警和進(jìn)行跌倒檢測(cè)并報(bào)警。

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