基于单片机和传感器的跌倒检测系统设计

孙夕阳,李冬梅

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)

0 引言

当前传感器、微电子机械、通信等高新技术已在生产、商务等领域广泛应用,但是在改善老年人的生活品质方面利用率还不高。针对老龄化的日益加剧以及老年人的生活品质不高的问题,设计了一种跌倒检测系统。检测系统中的加速度传感器模块可以即时检测老年人三个方向的加速度,加速度数据的采集与处理由主控制模块(单片机)来实现,无线通信模块(CDMA)发布报警信息。跌倒检测系统的设计将大大减少老年人因跌倒而得不到救助的概率,保障老年人晚年的幸福生活。

1 总体设计

要设计一个跌倒检测系统,首先需要对检测系统进行总体设计,总体方案如图1所示。该检测系统由三大模块组成:加速度传感器模块、主控制器模块和无线通信(CDMA)模块。采集被测对象加速度的加速度传感器模块采用MMA7260QT,该传感器是一款三轴加速度传感器,输出模拟电压信号。模拟信号输出到主控制器模块,经ADC转换成数字信号,通过嵌入在高性能、低功耗单片机—MC9S08AC16芯片的跌倒检测算法分析与计算,探测是否有跌倒发生。如果探测到有跌倒发生,就会促发报警功能,并启动CDMA模块进行定位及发布报警。

图1 跌倒检测系统总体设计

2 硬件设计

2.1 加速度传感器模块

本文选用MMA7260QT加速度传感器,因为其高集成度、高精度且低能耗,这款传感器是由飞思卡尔公司制造的。MMA7260QT可以检测老年人三个方向上的加速度,反馈给系统,系统从而判断出老年人姿势是否处于跌倒状态。

MMA7260QT中的G－Cell传感器首先检测三个轴的加速度,其次C/V变换器将其转换成电压,接着对信号进行放大与滤波,最后进行三个方向上的温度补偿后输出电压[1],图2为传感器内部结构功能框图。

g－Select1与g－Select2管脚输入一组逻辑电平,传感器就具有一个敏感度与量程,因此MMA7260QT拥有四个档位,详细说明如表1所示。设计所需传感器的外围管脚比较少,除了g－Select1 与g－Select2 外,还有VDD、VSS、节约能耗的睡眠模式以及xyz三轴的输出[2]。老人平时走路时的加速度一般不会超过1.5 g,所以设计的g－Select1与g－Select2的逻辑电平都设置为0。若遇到加速度超过1.5 g时,可以根据实际情况适当调整 g－Select1与 g－Select2的输入逻辑电平。MMA7260QT的外围管脚接线图如图3所示。

图2 MMA7260QT内部结构功能框图

表1 g－select管脚说明

图3 传感器外围接线图

2.2 主控制器模块

基于HCS08内核的MC9S08AC16单片机是同类单片机中能耗低且集成度高的一款代表[3]。该单片机的功能比较齐全,但却很经济,其可编程的脉宽调制与定时器功能尤为突出。选用此单片机作为主控制模块,主要是因为跌倒检测系统的需要与单片机自身功能比较相近。

设计中,单片机外围电路主要由电源与时钟、数据缓存及按键电路三部分组成。设计采用Li电池供电,但由于系统所需电压不一致,故电源部分还需配上电压转换电路来满足系统的供电要求。数据缓存部分使用HT24LC32芯片,这种串行的EEPROM是由公司Holtek生产的。这种缓存器可以即时写入,因为其微秒级的读写速度。此芯片最大可以存储4 k字节,足够跌倒检测系统的数据缓存;使用单片机的I/O管脚可以轻易的完成按键电路的设计。

2.3 无线通信模块

检测系统中的无线通信模块首先将报警信息转换为数字信号,其次把该数字信号通过无线网络传递,最后该信号将会被终端接收,接收人会根据报警信息来做出相应的处理。当然终端没必要担心无法区别发信人,因为传输中的数字信号编码不同且互相之间没有干扰[4]。

经过比较,系统选用的无线通信模块为KC19CDMA,RF收发、串行接口以及SIM卡座等构成了此模块。系统中的无线通信模块主要由接受报警信息的服务终端和发送信息的客户端组成,客户端必须可以驱动此无线通信模块成功发送转换后的报警信息,而接收终端应该能够对接受数据的地址及大小等信息分配不同的接受数据库,为了明确接收端的地址,其必须有一固定的IP地址[5]。将中国电信的SIM卡插入无线通信模块中的SIM卡座,该模块才能真正工作。另外输入AT命令,单片机能够通过串行接口来实现无线通信模块的不同功能。

3 软件设计

软件设计主要包括系统设置、数据采集、跌到检测、无线通信控制以及报警处理,总体流程图见图4,限于篇幅,仅介绍软件设计中的跌到检测与无线通信控制。

图4 软件总体流程

3.1 跌到检测

通过相关跌倒类型的研究[6]可以知道,跌倒类型主要可分为三类,简单跌倒主要指加速度可表明跌倒及使用者最终平躺在地面;复杂跌倒指加速度运动复杂或使用者最终未能平躺在地面上;伪跌倒指跌倒报警但事实上未跌倒。故在设计跌到检测系统时,必须对被测对象的跌倒进行判断,判断的依据是根据现实中跌倒类型所设计的检测算法。

跌到检测的程序流程如图5所示,首先由加速度传感器MMA7260QT采集三个轴的加速度,然后将采集所得的加速度与阈值相比较,接着判断是否至少有一个轴的加速度超过阈值。若不超过,则继续采集三个轴的加速度;若超过,则延时30 s。在延时过程中,判断跌倒的类型,若是假跌倒,则继续采集三个轴的加速度,若非假跌倒,则可以手动报警处理,也可以等待30 s延时后自动报警。

图5 跌到检测流程

3.2 无线通信控制

跌倒检测系统启动报警的目的就是希望得到必要的救援,这就涉及到报警信息的传递问题。救援首先需要知道受伤者的位置,选用KC19 CDMA模块,并配以中国电信的SIM卡以及GPS定位模块,来实现报警以及定位信息的传送[7],其程序流程如图6所示。无线通信模块的控制是通过单片机的串口以AT命令的方式来实现的。

4 结语

以单片机和加速度传感器为核心,结合CDMA的无信通信技术设计了一种跌倒探测仪,有效地降低了老年人因跌倒而未及时得到治疗造成身体伤害的发生率,提高了老年人的生活品质,因此本设计具有较强的实用价值。未来,该检测系统还可以加入一些其他信号的检测模块以辅助分析,如肌电信号、血压信号以及体温信号等等,进一步拓展检测系统的功能。

图6 无线通信模块流程

[1]MMA7260QT:3轴加速度传感器数据手册[EB/OL].(2008-03)[2013-07].http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/data＿sheet/MMA7260QT.pdf?pspll＝1.

[2]狄亮.基于加速度传感器MMA7260QT的自动摇篮的设计[J].世界电子元器件,2008,(2):94-97.

[3]MC9S08AC16:MC9S08AC8,MC9S08AW16A,MC9S08AW8A数据手册[EB/OL].(2008-09)[2013-07].http://cache.freescale.com/zh-Hans/files/microcontrollers/doc/data ＿ sheet/MC9S08AC16.pdf?fsrch＝1＆sr＝2.

[4]Xiong S K,Li W Y,Lin Y L,Lin H H.Development and evolution of CDMA mobile network[J].Telecommunications Science,2010, 26(5):8-10.

[5]周国顺,姚玉斌.基于CDMA模块实时无线数据传输的设计[J].微计算机信息,2009,25(5):5-6.

[6]Shea J.An Investigation of Falls in the Elderly[EB/OL].(2005-07-25)[2013-07-23].http://www.signalquest.com.

[7]贺雨璇,陈润,朱特,等.MSP430的地震检测报警系统[J].电子测量技术,2009,32(7):78-80.