基于惯性传感技术的跌倒报警器

邱亮 千博

摘要：鉴于现阶段老人跌倒报警器在携带等方面存在的问题，提出了一种利用陀螺仪、加速度计以及磁力计等惯性传感元件设计的跌倒报警器，文章分别从原理、结构组成与软件设计三个方面对跌倒报警器的研究过程展开详细论述，最后通过实验测试，验证了所设计的跌倒报警器在实际应用中能够对跌倒进行准确的判断。

关键词：惯性传感技术；跌倒检测；姿态解算；卡尔曼滤波器

0 引言

随着社会老年化的加重，老人独居现象越来越普遍。不论对于家人，还是对于社会来说，老人健康都是一个急需解决的问题。老人由于身体各个部分的功能都在退化，因而很容易发生跌倒，而跌倒的发生将会对老人的身心造成无法估量的伤害。所以对老人的跌倒进行检测，研究跌倒报警器具有重要的现实意义。基于上述原因，本文设计了一种可穿戴于腰部的跌倒报警器，跌倒检测装置内部有加速度计、陀螺仪和磁力计等惯性传感元件，可以实现对老人跌倒的检测，让发生跌倒的老人可以及时得到医疗救援，降低跌倒对老人造成的伤害。

1 跌倒报警器研究现状

跌倒报警器装置是以无线对讲系统作为基础条件研发的新型装置，但就目前跌倒报警器设计情况来说，设计者忽视了老人掌握现代化产品熟练程度。老人由于操作能力与视力逐渐下降，应用现代化设备难度较高。同时，老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度惊吓，无法正确操作跌倒报警器。随着科学技术水平显著提升，惯性传感技术的应用领域也越来越广泛，尤其是近年来在跌倒检测领域的应用，大大的降低了跌倒报警器的研发成本。惯性传感技术在跌倒检测应用中主要承担两方面工作，一方面是对老人日常行为进行实时监测，另一方面是利用相关姿态解算算法分析判断跌倒行为的发生。

2 跌倒报警器的工作原理

老人由于身体机能的衰退，容易失去平衡而发生跌倒。在老人身体跌倒的那一瞬间，老人的身体产生了向下的重力加速度，身体各个部位的加速度也会发生不同程度的变化。为了能够方便对人体跌倒时各种变量的描述，必须建立空间坐标系。假设，以人体作为原点，将人体前后方向看成X轴，左右方向看成Y轴，人上下方向看成Z轴。人在实际运动过程中，所产生的加速度是由于人体运动姿态瞬间发生变化而产生的。在老人跌倒的过程中，惯性传感元件将会检测到加速度值和身体倾斜角值，通过分析加速度和角度的变化情况可以判断出入体发生跌倒。

惯性传感技术主要作用就是通过对老人生活行为进行实时监测，分析判断出跌倒行为的发生。图1是跌倒报警器系统的原理图，MPU6050六轴传感器模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，通过12C接口连接STM32，根据传感器不同的地址信息分别读取MPU6050的角速度值和加速度值，然后利用四元数算法和姿态控制算法分析老人身体姿态和运动状态。

3 基于惯性传感技术的跌倒报警器硬件设计

跌倒报警器由五部分构成：单片机、通信模块、检测单元、发射模块、家庭电话。中心数据处理模块主要由两部分构成，分别为单片机与通信模块。通过完成对传感器信号的整合处理操作，实现跌倒判断。

3.1 单片机最小系统

在对单片系统硬件电路设计上，主要由四部分构成，分别为时钟电路、电源电路、复位电路与BDM接口。不同子系统所具有的功能分别为：

1）时钟电路在应用中，可以为单片机提供晶振：

2）电源电路所提供的电源电压为5V，可以为单片机运行提供稳定电压保证：

3）复位电路在系统电压恢复到正常情况下，向单片机发出复位信号：

4） BDM接口可以为用户提供专门接口，进而实现下载与调试等操作。

3.2 无线通信模块电路设计

通信模块电路主要承担数据信息发送与接收任务，同时还可以与读卡器、连接器相连接。通信模块电路所产生的数据在单片机操作指令作用之下，可以实现数据信息双向传输，读取PDU与Text格式信息。本文应用的无线通信模块芯片型号为PSoC27443，进而实现跌倒报警器无线通信功能。无线通信模块电路设计如图3所示。无线通信模块采取编程排列方式，一旦其中一个元器件出现破损情况，可以随时对其进行更替。

3.3 陀螺仪和加速度计模块

陀螺儀通常被用来检测物体旋转的角速度值。本文在设计跌倒报警器度过程中一共运用了两个陀螺仪，分别用来检测老人前后站立角度与侧向站立角度。加速度计被用来检测物体由地球引力作用所产生的加速度值。本文选用了飞思卡尔公司所生产的惯性传感器MPU6050，该型号的传感器具有体积相对较小、质量轻等优点。图4为加速度计与陀螺仪两者结构结合示意图，为了能够排除老人假摔，降低了对老人跌倒的误判，传感器内的卡尔曼系数采取可调节形式。

4 基于惯性传感技术的跌倒报警器系统软件设计

4.1 主要程序

跌倒报警器系统软件部分一共由三部分构成，分别为传感模块、控制模块与报警模块。首先，跌倒报警器需要初始化设置，初始化设置完毕之后，再检测是否有发送短消息，如果有，则根据跌倒报警器的指示执行相应的操作；如果没有，则检测传感信号，若有传感信号，则根据指示做进一步的处理；如果没有，则检测是否有传感器信号，若有，则根据信号进行相应地操作；如果没有，则返回初始状态，进行下一次检测，如此循环往复。主程序流程如图5所示。

4.2 短信息的编码解析

目前，短消息模式主要有Text模式和协议数据单元PDU （protocol data unit）模式。使用Text模式收发短信代码简单，实现起来比较容易，但缺点是不能收发中文短信：而PDU模式不仅支持英文短信，也能发送中文短信。PDU模式收发短信可以使用3种编码方式：

1）7 bit编码用于发送普通的ASCII字符；

2）8 bit编码通带用于发送数据消息；

3） UCS2编码用于发送16位Unicode字符。

为了支持中文短信的收发，本系统采用PDU编码模式。最终设计的基于惯性传感技术的跌倒报警器如图65基于惯性传感技术的跌倒报警器的测试

跌倒报警器采用六轴运动传感器检测人体跌倒，采用GPS和基站定位（LBS）相结合的定位方式实时跟踪老人运行轨迹，实现跌倒报警，轨迹查询等功能，同时还具有一键SOS呼救功能，具有稳定、可靠、方便携带等优点，图7显示的是跌倒报警器的外观图。

测试者按照图8佩戴好跌倒报警器后，在平稳的道路上正常行走，通过模拟向前跌倒、向左侧跌倒和向右侧跌倒3钟跌倒姿势进行跌倒检测实验。实验结果验证了方案的可行性和准确性，所设计的基于惯性传感技术的跌倒报警器能够准确的检测到跌倒的发生。

6 结论

本文针对老人摔倒后果的严重性，设计了一种基于惯性传感技术的老人跌倒报警器。由于结合了现代智能手机，报警器具有装置小巧、携带方便的特点，适用于经常单独活动的老人。具有稳定、可靠、方便携带等优点，有着非常广泛的应用前景和广阔的市场。

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