智慧健康养老系统中跌倒检测装置设计与实现

王瑞江

本项目拟开发一款基于无线传感技术的跌倒装置，此跌倒装置可连接手机等智能终端，从而实现提醒跌倒者家属的功能。结合3D Accelerometer工作原理和蓝牙等技术，打破普通跌倒检测装置的局限性，使此装置能在无线信号覆盖范围内自动检测出老年人是否摔倒。通过实际的案例分析来证明检测设计的合理性，并反馈设计出更为优化的产品功能。

【關键词】跌倒装置 蓝牙 3D Accelerometer

随着现代社会生活节奏的不断加快，越来越多的家属把自己的精力都集中在了工作上，而时常忽略了家里老人的身体状况。老年人的身体健康是很多家属最担忧的问题之一。这一现象间接地增加了很多上班族的工作压力。为了更好地解决这一现象，我们参考多方面资料，分析大众的需求，对已有的类似跌倒检测产品所存在的弊端进行了分析，发现大多数产品都无法准确地判断老年人的跌倒情况，我们所设计的产品结合各项技术，解决了原有产品所存在的弊端，使其适应当今社会大多数人群的需求，更好地保障了老年人的健康。跌倒检测装置旨在消除现代家属对老年人生活的担忧，更好地维护老年人的身体状况。

1 跌倒检测装置研究

研究目的在于探索人体跌倒检测仪的设计理论和具体优化的实施对策，通过实际的案例分析证明检测设计的合理性，优化设计内容。

理论意义在于将仪器设计，现代化信息与经济发展融合，从创新研发的角度来讲符合现代产业运作的内在要求，切合受众接受的购买需求。

我国人体跌倒检测仪的研制和开发仍处于探索和试验阶段，国内尚未真正出现具有独立自主研发的检测仪设施，其实践意义对于提升老年人护理，减少社会养老负担等都十分重要。

跌倒检测仪是针对“人跌倒行为”而设计的重要的科学仪器。这种检测仪是实时检测人体心电信号参数和人体位置的变化的集成老人生理参数监护仪的重要组成部分。

2 系统设计

2.1 传感器模块

由于我们是要测佩戴的各种状态，所以我们需要的是运动处理传感器。我们采用的是MPU-6050。MPU-6050为全球首例整合6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。MPU-6050可准确追踪快速与慢速动作，可在不同电压下工作，以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角公式的融合演算数据。

2.2 蓝牙模块

蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和个人域网之间的短距离数据交换。如今的蓝牙技术被IEEE列为IEEE 802.15.1。我们采用HC-05主从机一体蓝牙模块。把传感器模块采集到的数据通过无线蓝牙的RXD和TXD接受和发送到另一个客户端。成熟的蓝牙技术使信息的传输更加简便。模块默认波特率9600、默认配对密码1111、默认名称HC-05。AT模式波特率固定38400，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验的通信格式。

2.3 STM32开发板

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。将各个模块集成到开发板上实现各个模块的功能。

系统总体模块框图如图1所示。

3 系统功能实现

3.1 IMU传感器

IMU数据采集流程包括数据采集处理芯片STM32和传感器的初始化，即首先对STM32芯片系统上电初始化，完成I2C接口初始化和串口初始化，然后对传感器配置进行初始化。

3.2 蓝牙无线模块配置

蓝牙HC-05是主从一体的蓝牙串口模块，可以使其工作在主或从机状态。当蓝牙设备配对连接成功后，无需考虑蓝牙内部通信协议， 直接将蓝牙作为串口使用。连接建立后，两设备共同使用一通道，一个设备发送数据到通道中，另一个设备可以接受通道中的数据。为建立这种通道连接，需要将蓝牙设置为能进行配对连接的AT模式。使用蓝牙模块的AT指令对其进行配置，将模块设置为从机模式，依次输入指令。

AT+ROLE=0//蓝牙为从模式

AT+CMODE=0 //蓝牙连接模式为任意地址连接模式

AT+PSWD=1111 //蓝牙配对密码为1111

AT+UART=9600，0，0 //蓝牙通信串口波特率为9600，停止位1位，无校验位

3.3 对MPU6050初始化

MPU6050软件配置流程如下：

（1）复位MPU6050，将电源管理器寄存器1（0X6B）的寄存器值设置为0X80，让MPU6050内部所有寄存器恢复默认值。

（2）唤醒MPU6050，复位后将寄存器值设置为0X00。

（3）设置角速度传感器和加速度传感器的满量程范围。通过陀螺仪配置寄存器（0X1B）和加速度配置寄存器（0X1C）陀螺仪的满量程范围为± 2000dps，加速度传感器的满量程范围为± 2g。

（4）配置中断。通过中断使能寄存器（0X38）的值设置为0X00，关闭所有中断。

（5）设置AUX IIC接口。通过用户控制寄存器（0X6A）的值设置为0X00，关闭AUX IIC接口

（6）配置陀螺仪采样率。通过陀螺仪采样率分频寄存器（0X19）设置采样率为50。

（7）设置数字低通滤波器。通过配置寄存器（0X1A）设置数字低通滤波器为带宽的二分之一

（8）配置系统时钟源。选择x 轴陀螺 PLL 作为时钟源，以获得更高精度的时钟。

（9）使能角速度传感器和加速度传感器。通过电源管理寄存器2（0X6C）设置对应位为0即可开启。

跌倒检测算法流程图如图2所示。

4 结束语

本文从分析目前应用市场中相关跌倒检测装置的功能不足出发，将跌倒检测装置和蓝牙功能进行结合，设计并实现了一款跌倒检测仪器。这款仪器将满足现今老人的需求，增加子女的放心程度，提高人们的生活质量。

（通讯作者：潘巨龙）

参考文献

[1]曹蓬，潘盛辉.基于蓝牙技术的运动检测系统设计[J].物联网技术，2017，7（06）：20-22.

[2]王勇.基于蓝牙技术的脉搏血氧仪设计[J].电子技术与软件工程，2017（20）.

[3]李冬，梁山.基于加速度传感器的老年人跌倒检测装置设计[J].传感器与微系统，2008，27（09）：85-88.

[4]马少卿，孙荣霞，马征.基于单片机的老人跌倒检测装置[J].微型机与应用，2017，36（09）：100-102，105.

[5]王露，邓豪.基于STM32的中老年人跌倒监测装置研究[J].中国高新技术企业，2015（03）：18-19.

作者单位

中国计量大学信息工程学院 浙江省杭州市 310018