基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁楷博，吳有龍，蘇 杰，沈 亮，潘星穎，鄭 坤，葉 晴

（1.金陵科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，大多數(shù)建設(shè)管理者都選擇物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)管模式來替代傳統(tǒng)的人工巡視，以達(dá)到安全管理的要求。在工地的安全管理工作中，為施工人員的安全帽引入慣性傳感器、蜂鳴器，然后連接阿里云服務(wù)器，不失為一個(gè)線上線下雙報(bào)警的良好管理辦法。智能安全帽就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新以及生產(chǎn)需求不斷提高的智能化產(chǎn)物。

由于系統(tǒng)中的傳感器類型不同，可以將跌倒檢測(cè)系統(tǒng)分為基于環(huán)境的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)、基于圖像的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)和基于可穿戴設(shè)備的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)?；诃h(huán)境的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)是將各種傳感器放在活動(dòng)區(qū)域，通過檢測(cè)摔倒時(shí)發(fā)出的反饋信息來判斷用戶是否摔倒。但基于環(huán)境的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)易受外部環(huán)境干擾，且條件限制較多，難以滿足實(shí)際要求。基于圖像的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)主要通過安裝攝像頭，并對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，從而判斷用戶的身體狀態(tài)。Alemdar等人通過攝像頭與慣性傳感器采集用戶信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行摔倒檢測(cè)?；趫D像的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)受位置因素的限制，無法在室外進(jìn)行跌倒檢測(cè)，存在較大的局限性。

基于可穿戴設(shè)備的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)通過佩戴在用戶身上的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而判斷用戶的行動(dòng)狀態(tài)。目前，市場(chǎng)上大部分跌倒檢測(cè)系統(tǒng)都是基于穿戴設(shè)備的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，但效果難以讓用戶滿意。一方面，設(shè)備過于笨重且需要頻繁充電，導(dǎo)致佩戴不便；另一方面，跌倒檢測(cè)算法還不完善，經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)。本文利用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等設(shè)計(jì)了一種基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)流程如圖1所示。該系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，硬件部分包括慣性傳感器MPU6050、蜂鳴器、通信模塊Air202s、定位模塊ATGM336H，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳輸信號(hào)至STM32單片機(jī)；軟件部分主要為管理者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工人員是否跌倒和位置信息提供平臺(tái)，同時(shí)存儲(chǔ)歷史信息。北斗模塊將佩戴安全帽的施工人員實(shí)時(shí)精確位置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)網(wǎng)功能捕獲位置信息。

圖1 系統(tǒng)流程

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 北斗衛(wèi)星定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)并且獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與目前的全球定位系統(tǒng)GPS、GLONASS和GALILEO相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能符合設(shè)計(jì)要求，相較于其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，有著更加優(yōu)秀的信號(hào)強(qiáng)度和定位精度?？臻g段、地面段和用戶段共同組成了北斗定位系統(tǒng)，衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑示意圖如圖2所示。

圖2 北斗衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑示意圖

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT全稱為Message Queuing Telemetry Transport，也被稱為消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議于1999年由IBM公司發(fā)布，該協(xié)議在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。MQTT最大的優(yōu)點(diǎn)在于，為設(shè)備提供可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的消息服務(wù)時(shí)，無需使用大量代碼以及對(duì)帶寬無較大要求。MQTT作為一種即時(shí)通信協(xié)議，具有低開銷和低帶寬等優(yōu)點(diǎn)，使其在移動(dòng)應(yīng)用方面，特別是在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中有較廣泛的應(yīng)用。

2.3 跌倒檢測(cè)技術(shù)

跌倒檢測(cè)目前有三種方案，分別是基于環(huán)境的跌倒檢測(cè)、基于視頻的跌倒檢測(cè)以及基于穿戴設(shè)備的跌倒檢測(cè)?；诃h(huán)境的跌倒檢測(cè)利用壓力傳感器來監(jiān)測(cè)壓力變化，當(dāng)壓力變化超過正常狀態(tài)時(shí)，就判斷為跌倒；基于視頻的跌倒檢測(cè)利用監(jiān)控?cái)z像頭拍攝視頻圖像，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)，將拍攝到的視頻或圖像與正常狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)跌倒判斷?；诖┐髟O(shè)備的跌倒檢測(cè)利用加速度計(jì)與陀螺儀進(jìn)行，當(dāng)加速度以及角度超過設(shè)定閾值時(shí)，就判定為跌倒。

在閾值判斷檢測(cè)算法中，為解決人跌倒時(shí)方向的不確定性對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成影響的問題，引入了SVM（Signal Vector Magnitude, SVM）人體加速度向量幅值，定義如下：

式中：a，a，a是三維空間坐標(biāo)系中X，Y，Z軸上的加速度；SVM為加速度的矢量和。

利用SVM可以完整反映跌倒時(shí)加速度的變化，同時(shí)不受跌倒方向的影響，極大降低了算法的復(fù)雜度?，F(xiàn)有的閾值判斷算法以SVM判斷人體是否跌倒為基礎(chǔ)。步行過程中跌倒的SVM波形如圖3所示。

圖3 步行跌倒時(shí)SVM波形圖

從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，人在正常步行時(shí)，SVM通常圍繞1g上下浮動(dòng)，而在跌倒時(shí)，人體會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)失重狀態(tài)。但SVM的最小值一般為0.4g，在跌倒觸地瞬間，SVM出現(xiàn)最大值，一般為1.6g?；鹃撝蹬袛鄼z測(cè)算法對(duì)SVM進(jìn)行判斷，將加速度傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到SVM，如果SVM值圍繞1g上下浮動(dòng)，則判定為正常狀態(tài)；如果SVM的值超出了正常閾值，則判定為跌倒?fàn)顟B(tài)。

2.4 GPRS技術(shù)

GPRS的全稱為General Packet Radio Service，也被稱為通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種以GSM技術(shù)為基礎(chǔ)的分組交換技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信至今為止已經(jīng)發(fā)展到第五代。第一代為模擬無線網(wǎng)絡(luò)；第二代是數(shù)字通信，包括GSM和CDMA；第三代是分組型移動(dòng)業(yè)務(wù)，最廣泛的應(yīng)用是WCDMA和CDMA2000，也被稱為3G；第四代數(shù)字通信被稱為4G，其目標(biāo)是使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有寬帶上網(wǎng)能力；第五代是最新的數(shù)字通信技術(shù)，也被稱為5G，它是4G技術(shù)的發(fā)展和延伸。GPRS技術(shù)是第二代數(shù)字通信技術(shù)和第三代數(shù)字通信技術(shù)的混合體，具有GSM技術(shù)的通話服務(wù)，并為用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，適用于傳輸數(shù)據(jù)量較小且傳輸頻繁的數(shù)據(jù)。

2.5 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)的內(nèi)核為ARM Cortex-M3，該內(nèi)核具有性能高、成本低和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，選用的單片機(jī)型號(hào)為STM32F103C8，該產(chǎn)品器件采用3.6 V電源供電，正常工作的溫度范圍為-40～85 ℃。STM32F103C8系列有多款產(chǎn)品，這些產(chǎn)品包含不同的外設(shè)集，用戶可根據(jù)自身需求選擇。STM32F103C8包含1個(gè)12位的ADC、2個(gè)比較器、2個(gè)16 位通用定時(shí)器、2個(gè)32位通用定時(shí)器、2個(gè)16位基本定時(shí)器、2個(gè)16 位高級(jí)定時(shí)器。還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：2個(gè)IC接口、3個(gè)SPI接口、1個(gè)USBOTG接口、1個(gè)CAN接口、1個(gè)SDIO接口和8個(gè)UART接口，完全滿足本系統(tǒng)的使用需求。本系統(tǒng)連接方式如圖4所示。

圖4 實(shí)物連接圖

3 功能闡述

3.1 用戶功能

當(dāng)?shù)箼z測(cè)模塊檢測(cè)為異常狀態(tài)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，并提供施工人員位置信息。若該狀態(tài)并非跌倒?fàn)顟B(tài)，則施工人員可自行按下按鍵解除蜂鳴器報(bào)警。

3.2 管理者功能

在后臺(tái)查看施工人員信息，若有施工人員被判定為跌倒?fàn)顟B(tài)，可在后臺(tái)看到該施工人員狀態(tài)為異常（紅色），并顯示施工人員的位置信息，如圖5所示。

圖5 跌倒?fàn)顟B(tài)的Web界面

4 硬件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)主要負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。STM32單片機(jī)供電后先將定位模塊、跌倒檢測(cè)模塊以及通信模塊初始化，隨后通過串口接收定位模塊發(fā)來的GPS信息，若GPS信息為無效信息，則繼續(xù)接收定位模塊發(fā)送的定位信息；若GPS信息為有效信息，則對(duì)該信息進(jìn)行拆分，提取出經(jīng)緯度信息，并將經(jīng)緯度信息通過串口發(fā)送到通信模塊。跌倒檢測(cè)模塊進(jìn)行身體姿態(tài)的判定，如果判斷為正常狀態(tài)，則每隔15 s將身體狀態(tài)信息與經(jīng)緯度信息通過通信模塊發(fā)送到阿里云平臺(tái)；如果跌倒檢測(cè)模塊檢測(cè)到了傾角變化，且傾角大于90°，維持時(shí)間大于15 s，則判斷為跌倒?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。此時(shí)，如果該狀態(tài)并非真實(shí)跌倒?fàn)顟B(tài)，則可以通過按下按鍵解除蜂鳴器報(bào)警，否則，蜂鳴器持續(xù)報(bào)警，并將跌倒?fàn)顟B(tài)以及經(jīng)緯度信息通過通信模塊上傳至阿里云平臺(tái)。本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 硬件電路設(shè)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了基于慣性傳感器的智能安全帽人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)。施工人員的安全問題是當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)，本產(chǎn)品對(duì)施工人員的安全帽進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)，可以及時(shí)對(duì)施工人員由于高溫、心臟疾病等原因出現(xiàn)的跌倒或昏迷做出反應(yīng)，并發(fā)出警報(bào)提供位置信息，為施工人員的生命安全提供保障。相比于傳統(tǒng)人工巡視，該系統(tǒng)在提高工作效率的同時(shí)大幅節(jié)省了人力資源。