基于蓝牙和3轴电子陀螺仪的跌倒检测系统设计

王 彬，肖姿逸

（中国电子科技集团公团第 58 研究所，江苏 无锡 214072）

产品、应用与市场

基于蓝牙和3轴电子陀螺仪的跌倒检测系统设计

王 彬，肖姿逸

（中国电子科技集团公团第 58 研究所，江苏 无锡 214072）

设计了一种基于蓝牙和3轴电子陀螺仪的运动状态监测系统设计方案。该方案以 MEGA2560为开发板，Arduino IDE为开发平台，可以在安卓设备上通过蓝牙接收到人体运动状态。该系统通过检测人体三轴与地磁三轴的夹角变换来判断人体的运动状态。当人体跌倒时，人体三轴会和地磁三轴产生偏角，当偏角达到设定的角度时，蓝牙模块即会发出信号，此时 Android 设备就会接收到摔倒的信息。该系统还具有低功耗、体积小的特点。

3轴电子陀螺仪；运动监测系统；蓝牙

1 引言

当今社会是老龄化社会，我国的老龄化现象尤为严重。据统计，我国老年人人口数量位居世界第一，在这个大环境下，关注老年人健康成为了一个重要的民生问题。对于老年人的健康来说，跌倒是一个重要的影响因素。周围老年人意外跌倒时，若不伸出援手，也许会耽误救援的最佳时间从而对老年人的身心健康产生严重的后果[1]。

因此，研制一款专门为检测老年人跌倒的系统迫在眉睫，在对老年人正常生活没有任何影响的情况下，将跌倒与其他日常活动区分开来，判断老年人是否跌倒，并传送到移动设备上，以求及时的报警救治。

在现有的常规设计中，多数采用的是三轴加速度传感器[2]。但此种方法存在不稳定因素，加速度的不稳定变化会使系统对人体的运动状态进行误判。本文中采用的传感器则是通过检测人体三轴与地磁三轴的夹角变换判断人体的运动状态。如图1所示，由于地磁三轴方向不会因人为因素而变化，因此当人体状态发生变化时，人体三轴发生偏移，并且会和地磁三轴产生夹角变化，当夹角的变化值很大时，可判断出人体发生跌倒。这种方法计算出的运动状态较为精确，不易发生误判断。

图1 人体三轴方向与地磁三轴方向

2 系统内部具体方案设计

设计流程图如图2所示，系统主要分为4个部分：

（1）三轴模块接收人体状态数据；

（2）MEGA2560 开发板上加入跌倒判断部分代码；

（3）蓝牙模块通过串口发出信号；

（4）安卓设备接收蓝牙信号，显示跌倒判断。

图2 系统流程图

2.1 三轴模块的设计

HMC5883L 是一款高集成、低成本的三轴电子陀螺仪模块。它能够检测到弱磁场环境并与数字芯片相连接，且实现自动消磁和放大信号的功能。通过Arduino 平台编写相应的程序，使得模块检测到的与地磁三轴的夹角以数据的模式显示出来，并控制在0°～360°之间。重要代码部分如图3 所示。

图3 HMC5883L 重要代码

2.2 判断跌倒状态设计

据研究表明，人体跌倒的持续时间一般为 1～3 s[3]。当人体 z轴发生大于50°的偏转时，就可判定为发生跌倒。由此将三轴模块固定在整体装置上，转动装置可以观测到模块 Z 轴与地磁 Z 轴夹角在0°～50°及310°～360°时为假定人体的安全状态。根据这个数据，编写判断跌倒的语句，使系统在检测到人体跌倒发生时输出“People Down!”的语句。当人体状态正常时，则不输出。

2.3 蓝牙模块设计

选取了一款 DX-BT05 4.0蓝牙模块。该模块具有超低待机功耗（90～400 μA），超远连接距离（10m），超快反应速度（0.4 s），传输速率达3kbytes/s。本设计将蓝牙模块的发送与接收端连接到单片机上的串口输入输出端。该蓝牙模块将直接匹配连接，把开发板上接收到的数据通过蓝牙直接发送出去。

3 数据分析

3.1 三轴模块数据分析

编译成功后的结果如图4所示，转动模块的同时显示出三轴夹角角度的变化。

图4 角度变化结果

由于所设计的系统是佩戴在人体的腰部，根据图1的人体三轴方向，我们对检测到的数据进行分析。调整三轴模块方向，使它面对正前方时 x、y、z的数据都为0。当x轴与y轴的数据发生改变时，表明使用者发生了向左或向右的旋转。当z轴数据发生改变时，表明使用者发生了倾倒。向前倾倒的角度为所测得的数据，而向后倾倒的角度为360°减去所测得的数据。当3个数据结合起来的时候，就能大致推算出使用者当前所处的运动状态。

3.2 安卓设备显示

在安卓设备上安装可以接收蓝牙数据的相应app，打开app后即能搜索到蓝牙模块所发出的信号，如图5所示。匹配连接蓝牙模块后，当人体发生跌倒时，设计输出的“People Down!”语句就会在设备上显示，如图6所示。这就完成了跌倒系统装置与移动设备的连接，使之成为一个整体。

图5 搜索到蓝牙设备

图6 安卓设备接收到的数据

4 总结

本文设计的方案体积小，功耗少，且检测结果较为准确。将检测系统与智能移动设备连接起来，提高了检测数据的实时性，能实时观测到使用者的状态。如果要开发一款穿戴式的跌倒报警装置，本次设计可作为一个简单的参考。本系统可以开发配套app，当发生跌倒情况时，可以向老人子女的移动终端设备发出报警。添加GPS或者北斗导航模块，可以发送准确跌倒发生地点。

本系统如添加穿戴式脉搏、血压设备组成老年人健康监控器，并组网形成社区级别的监控网络，只要老人发生异常情况，社区或者社区医院就可以在第一时间接到报警并及时处理。

[1]Adler-Traines M．Falls in the senior population[J]．Phys Ther Forum，1994，9：14-17．

[2]石欣，熊庆字，雷璐宁．基于压力传感器的跌倒检测系统研究[J].仪器仪表学报，2010，31(3)：715-720．

[3]Xinguo Yu．Approaches and Principles of Fall Detection for Elderly and Patient[C].2008 10th IEEE Intl Conf on e-Health Networking，Applications and Service，2008：42-47．

Design of Fall Detection System Based on Bluetooth and 3-Axis Electronic Gyroscope

WANG Bin,XIAO Ziyi
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China）

The paper presentsa design ofmotion detection system based on Bluetooth and3axis electronic gyroscope.During the design,MEGA2560 is used as the development board and Arduino IDE the developmentplatform.The system receivesmotion state information of human body via Bluetooth embedded in android equipment.The system analyzes themotion state bymeasuring the angle between the3axis of the hum an body and the3axis of the geomagnetic field.The angle changes as human body fall.When the angle reaches threshold,the Bluetoothmodulew ill immediately sendAsignal to the android equipment.The system isof low power consumption and smallsize.

3 axisgyroscope;motion detection system;bluetooth

TN409

A

1681-1070 （2017） 03-0045-03

王 彬（1982—），男，吉林省吉林市人，2009年毕业于韩国清州大学电子工学院，硕士学历，现在中国电子科技集团公司第 58研究所从事电源系统研究工作，主要研究方向为直流开关电源、交流开关电源、防雷击设计、电磁兼容等。

2016-7-4