基于足底压力的跌倒检测定位系统设计

徐攀峰，卢 媛，王丽敏

(辽宁大学 物理学院，辽宁 沈阳 110036)

0 引言

跌倒是指人体的不正常的体位改变，摔倒在地面或低于地面的地方，该过程的发生是突然的、不自主、非故意的[1].针对跌倒位置的不同，国际上将跌倒大致分为两类，其一是从一个平面倒至另一个平面，其二是发生在同一平面上[2].跌倒是中国第四大伤害致死原因，并且已经成为我国65岁及以上老年人致死的首要因素[3]，对老年人的身心健康造成了极大的影响，加重了家庭和社会的负担，现已成为一个非常有价值研究的课题.

目前对于人体跌倒检测的研究在国内多数处在被动的医疗护理阶段，没有全面普及，而在国外，例如德英等国家，在政府的关注和重视下，其研究水平和成果相较于国内具有明显的优势.跌倒问题的研究起始于人们有意识地、主动地手动报警.随着经济和科技发展，人们也更加深入地研究跌倒问题，并提出了更多应对方案.目前处于研究领域前沿的主要有三种处理方案分别是视频式跌倒检测系统、室内传感器跌倒检测系统和穿戴式跌倒检测系统[4-5].视频式跌倒检测系统检测准确率高，对被检测者来说，没有佩戴设备的压力，但是，只适用于室内，室外与其他公共场合不适用，并且受光线影响，同时还涉及到被测试者的隐私；室内传感器跌倒检测系统一般是在平时活动的区域范围内，嵌入红外传感器、压力传感器、声音传感器等无线传感器，该系统非常容易受到外界其他声波信号干扰，对活动范围限制很大，而且实施困难；穿戴式跌倒检测系统一般来说是将检测单元嵌入到衣服、鞋子、配饰等处，该系统不受地点控制，随身携带，采集数据精确，使实用性大大提高，但是设备容易被人为损坏，导致采集数据的不准确.

1 跌倒状态分析

跌倒是指人体的不正当的体位改变，从根本上说，跌倒都是身体一瞬间的不平衡，而导致突然的身体的倾倒，发生跌倒时，跌倒的时间非常短暂.根据跌倒前的状态将跌倒分为原地跌倒和行进中跌倒.同时，又根据行进中跌倒方向的不同分为向前、向后、向左、向右的4个方向的跌倒[6].根据人体突然失去平衡和重心移动的运动状态，测量双足的前脚掌和脚跟的压力，并通过其压力值的改变来判断是否发生跌倒行为.

1)测试正常行走时，一段时间内的足底压力值的压力曲线如图1所示.正常行走时，双足压力值的波动明显且有规律，通过过零检测就可判断出非跌倒状态[7].

2)测试行进中发生向前跌倒、向后跌倒、左侧跌倒和原地跌坐情况下的双足压力变化情况，如图2所示为向前跌倒时的双足压力变换曲线.向前跌倒时，先离地的是脚后跟，脚后跟的压力值要明显小于前脚掌的压力值，而且变化突然，通过方差阈值可以判断是否处于跌倒状态.

将4个薄膜压力传感器分别粘在左右脚的前脚掌和脚后跟处见图3，从而根据双足的前脚掌和后脚跟压力的变化，通过分析来识别跌倒状态.

2 系统结构设计

2.1 系统结构

本系统的整体结构可分为两部分：佩戴装置和PC端，如图4所示.佩戴装置主要由以下几部分组成，包括主控STM32单片机、柔性薄膜压力传感器、Wi-Fi模块、GPS定位模块以及辅助的电路部分等，该佩戴部分可以实现对人体行进时的双足压力信号的实时检测，当发生跌倒时，会立即通过Wi-Fi模块将GPS采集的位置信息发送至上位机.PC端主要是利用LabVIEW处理压力信号，并判断跌倒状态，同时通过程序调取当时的位置信息，在百度地图上显示地理位置并发出报警.

2.2 硬件设计

本设计以STM32作为主控制器，利用压力传感器模块实时采集双足压力信号，同时获取GPS模块的位置信息，通Wi-Fi模块无线传输到上位机服务器，如图5所示.

本设计中采用IMS-C20B短尾公端子薄膜压力传感器进行足底压力测量，其具有较好的重复性，同时滞后小、线性好，能够大大提高压力测量的范围，一般用于检测传感平面在垂直方向上的力，将4个传感器分别置于左右脚前脚掌和脚后跟处，可以反映出在运动行进的过程中足底所受到的压力情况.无线通信部分采用了ESP8266无线Wi-Fi模块，其主要有三种功能，分别是串口透传、PWM调控、GPIO控制.在本设计中，ESP8266仅负责将采集到的足底压力信号和GPS信息一并传输到上位机，而对数据不做处理，发送端和接收端的数据内容和长度一致，传输过程透明，这也是该Wi-Fi模块的卓越特性之一.ESP8266模块支持三种工作模式，主要是STA模式、AP模式和STA+AP模式.根据上述的模块优点以及本设计的需要，采用了STA+AP接入点共存模式，当模块用作AP时，同时也可以作为STA模式存在.

3 系统软件实现

3.1 系统上位机程序设计

3.1.1 程序流程和界面设计

本文的上位机主要采用主流的虚拟仪器开发平台LabVIEW完成相应的程序设计.针对压力信号进行分析，主要功能包括信号的无线通讯，对采集到的足底压力信号进行解析和识别，同时对跌倒状态的算法识别，以及对跌倒状态的报警和GPS位置信息的显示.程序流程图如图6所示.图7是由LabVIEW处理由行走至跌倒的信息并显示波形，同时通过方差阈值和均值阈值进行识别跌倒状态，然后发出报警信息的示意图.

图6 上位机程序流程框图图7 跌倒报警显示

3.1.2 跌倒检测

过零检测主要是根据足底压力的信号，需要选取一段待处理的信号段，采取过零点数(ZC)进行判断.此外，在人体跌倒时，足底压力的平均值(M)明显减少，方差(S2)突变，所以还需要进一步计算平均值(M)和方差(S2).这三个参数的定义如下：

(1)

(2)

(3)

N表示选取数据点数；xi表示某个数据点；ZC表示通过零点的次数；M是平均数；S2表示方差.

跌倒检测的主要流程是首先通过过零检测判断运动状态，再通过方差和阈值来进一步判断是否发生了跌倒.整体跌倒算法识别的流程图如图8所示.从信号发生跃变后提取动作时间为4 s的数据值，本实验取压力值为0.7处作为零点，首先判断ZC是否属于正常范围(针对提取的压力信号过零点数的特征，当ZC≥4时，直接判定为非跌倒)，若超过正常范围(即ZC<4)，进一步判断M和S2是否超过设定的阈值，若判断确实是跌倒状态，则进行报警，并且将跌倒人的位置发送至上位机显示.针对阈值的选取，要按照人体正常行走时的压力数据作为参考，平均值阈值(P)和方差阈值(T)的计算如下：

P=b×xmax，0

(4)

(5)

a，b是调节系数取值0.5；xmax是最大数据点.

3.2 主控制器程序设计

本文的主控制器采用STM32单片机，主要功能包括完成对采集到的足底压力信号进行A/D转换，通过串口通信完成对GPS信号的接收，以及将采集到的足底压力信号和GPS信号通过Wi-Fi模块进行无线传输，将数据传输到上位机上，供上位机服务器处理.主控制器的流程图如9所示.

4 结语

本设计构建了一种基于足底压力的跌倒检测定位系统，并将整个系统划分为传感器模块、GPS模块、Wi-Fi模块，并结合LABVIEW图形编程，逐步实现了跌倒检测、位置显示以及报警等功能，使得老年人可以得到及时的救助.本设计轻巧方便，便于携带，只是目前对于数据的处理，还是在上位机上面进行，未来拟开发手机APP，使得跌倒检测系统的应用更加广泛和便利.

该项目也是基于真实问题提炼的教学拓展项目，是通过本科生与研究生结对互助，组建兴趣小组完成的，该项目也是专业教学改革研究的过程中很好的教学实践.