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          基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器

          作者:邱亮 千博 時間:2018-02-27 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:鑒于現(xiàn)階段老人跌倒報警器在攜帶等方面存在的問題,提出了一種利用陀螺儀、加速度計以及磁力計等慣性傳感元件設(shè)計的跌倒報警器,文章分別從原理、結(jié)構(gòu)組成與軟件設(shè)計三個方面對跌倒報警器的研究過程展開詳細論述,最后通過實驗測試,驗證了所設(shè)計的跌倒報警器在實際應用中能夠?qū)Φ惯M行準確的判斷。

          作者 / 邱亮 千博  西安電子科技大學機電工程學院(陜西 西安 710071)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201802/376168.htm

            邱亮(1992-),男,碩士生,研究方向:技術(shù)、算法。

          摘要:鑒于現(xiàn)階段老人跌倒報警器在攜帶等方面存在的問題,提出了一種利用陀螺儀、加速度計以及磁力計等慣性傳感元件設(shè)計的跌倒報警器,文章分別從原理、結(jié)構(gòu)組成與軟件設(shè)計三個方面對跌倒報警器的研究過程展開詳細論述,最后通過實驗測試,驗證了所設(shè)計的跌倒報警器在實際應用中能夠?qū)Φ惯M行準確的判斷。

          0 引言

            隨著社會老年化的加重,老人獨居現(xiàn)象越來越普遍。不論對于家人,還是對于社會來說,老人健康都是一個急需解決的問題。老人由于身體各個部分的功能都在退化,因而很容易發(fā)生跌倒,而跌倒的發(fā)生將會對老人的身心造成無法估量的傷害。所以對老人的跌倒進行檢測,研究跌倒報警器具有重要的現(xiàn)實意義?;谏鲜鲈颍疚脑O(shè)計了一種可穿戴于腰部的跌倒報警器,裝置內(nèi)部有加速度計、陀螺儀和磁力計等慣性傳感元件,可以實現(xiàn)對老人跌倒的檢測,讓發(fā)生跌倒的老人可以及時得到醫(yī)療救援,降低跌倒對老人造成的傷害。

          1 跌倒報警器研究現(xiàn)狀

            跌倒報警器裝置是以無線對講系統(tǒng)作為基礎(chǔ)條件研發(fā)的新型裝置,但就目前跌倒報警器設(shè)計情況來說,設(shè)計者忽視了老人掌握現(xiàn)代化產(chǎn)品熟練程度。老人由于操作能力與視力逐漸下降,應用現(xiàn)代化設(shè)備難度較高。同時,老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度驚嚇,無法正確操作跌倒報警器。隨著科學技術(shù)水平顯著提升,的應用領(lǐng)域也越來越廣泛,尤其是近年來在領(lǐng)域的應用,大大的降低了跌倒報警器的研發(fā)成本。在跌倒檢測應用中主要承擔兩方面工作,一方面是對老人日常行為進行實時監(jiān)測,另一方面是利用相關(guān)算法分析判斷跌倒行為的發(fā)生。

          2 跌倒報警器的工作原理

            老人由于身體機能的衰退,容易失去平衡而發(fā)生跌倒。在老人身體跌倒的那一瞬間,老人的身體產(chǎn)生了向下的重力加速度,身體各個部位的加速度也會發(fā)生不同程度的變化。為了能夠方便對人體跌倒時各種變量的描述,必須建立空間坐標系。假設(shè),以人體作為原點,將人體前后方向看成X軸,左右方向看成Y軸,人上下方向看成Z軸。人在實際運動過程中,所產(chǎn)生的加速度是由于人體運動姿態(tài)瞬間發(fā)生變化而產(chǎn)生的。在老人跌倒的過程中,慣性傳感元件將會檢測到加速度值和身體傾斜角值,通過分析加速度和角度的變化情況可以判斷出人體發(fā)生跌倒。

            主要作用就是通過對老人生活行為進行實時監(jiān)測,分析判斷出跌倒行為的發(fā)生。圖1是跌倒報警器系統(tǒng)的原理圖,MPU6050六軸傳感器模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計,通過I2C接口連接STM32,根據(jù)傳感器不同的地址信息分別讀取MPU6050的角速度值和加速度值,然后利用四元數(shù)算法和姿態(tài)控制算法分析老人身體姿態(tài)和運動狀態(tài)。

          3 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器硬件設(shè)計

            跌倒報警器由五部分構(gòu)成:單片機、通信模塊、檢測單元、發(fā)射模塊、家庭電話。中心數(shù)據(jù)處理模塊主要由兩部分構(gòu)成,分別為單片機與通信模塊。通過完成對傳感器信號的整合處理操作,實現(xiàn)跌倒判斷。

          3.1 單片機最小系統(tǒng)

            在對單片系統(tǒng)硬件電路設(shè)計上,主要由四部分構(gòu)成,分別為時鐘電路、電源電路、復位電路與BDM接口。不同子系統(tǒng)所具有的功能分別為:

            1)時鐘電路在應用中,可以為單片機提供晶振;

            2)電源電路所提供的電源電壓為5 V,可以為單片機運行提供穩(wěn)定電壓保證;

            3)復位電路在系統(tǒng)電壓恢復到正常情況下,向單片機發(fā)出復位信號;

            4)BDM接口可以為用戶提供專門接口,進而實現(xiàn)下載與調(diào)試等操作。

          3.2 無線通信模塊電路設(shè)計

            通信模塊電路主要承擔數(shù)據(jù)信息發(fā)送與接收任務(wù),同時還可以與讀卡器、連接器相連接。通信模塊電路所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在單片機操作指令作用之下,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息雙向傳輸,讀取PDU與Text格式信息。本文應用的無線通信模塊芯片型號為PSoC27443,進而實現(xiàn)跌倒報警器無線通信功能。無線通信模塊電路設(shè)計如圖3所示。無線通信模塊采取編程排列方式,一旦其中一個元器件出現(xiàn)破損情況,可以隨時對其進行更替。

          3.3 陀螺儀和加速度計模塊

            陀螺儀通常被用來檢測物體旋轉(zhuǎn)的角速度值。本文在設(shè)計跌倒報警器度過程中一共運用了兩個陀螺儀,分別用來檢測老人前后站立角度與側(cè)向站立角度。加速度計被用來檢測物體由地球引力作用所產(chǎn)生的加速度值。本文選用了飛思卡爾公司所生產(chǎn)的慣性傳感器MPU6050,該型號的傳感器具有體積相對較小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。圖4為加速度計與陀螺儀兩者結(jié)構(gòu)結(jié)合示意圖,為了能夠排除老人假摔,降低了對老人跌倒的誤判,傳感器內(nèi)的卡爾曼系數(shù)采取可調(diào)節(jié)形式。

          4 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器系統(tǒng)軟件設(shè)計

          4.1 主要程序

            跌倒報警器系統(tǒng)軟件部分一共由三部分構(gòu)成,分別為傳感模塊、控制模塊與報警模塊。首先,跌倒報警器需要初始化設(shè)置,初始化設(shè)置完畢之后,再檢測是否有發(fā)送短消息,如果有,則根據(jù)跌倒報警器的指示執(zhí)行相應的操作;如果沒有,則檢測傳感信號,若有傳感信號,則根據(jù)指示做進一步的處理;如果沒有,則檢測是否有傳感器信號,若有,則根據(jù)信號進行相應地操作;如果沒有,則返回初始狀態(tài),進行下一次檢測,如此循環(huán)往復。主程序流程如圖5所示。

          4.2 短信息的編碼解析

            目前,短消息模式主要有Text模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(protocol data unit)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單,實現(xiàn)起來比較容易,但缺點是不能收發(fā)中文短信; 而PDU模式不僅支持英文短信,也能發(fā)送中文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼方式:

            1) 7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符;

            2) 8 bit 編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息;

            3) UCS2編碼用于發(fā)送16位Unicode字符。

            為了支持中文短信的收發(fā),本系統(tǒng)采用PDU編碼模式。最終設(shè)計的基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器如圖6所示。

          5 基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器的測試

            跌倒報警器采用六軸運動傳感器檢測人體跌倒,采用GPS和基站定位(LBS)相結(jié)合的定位方式實時跟蹤老人運行軌跡,實現(xiàn)跌倒報警,軌跡查詢等功能,同時還具有一鍵SOS呼救功能,具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點,圖7顯示的是跌倒報警器的外觀圖。

            測試者按照圖8佩戴好跌倒報警器后,在平穩(wěn)的道路上正常行走,通過模擬向前跌倒、向左側(cè)跌倒和向右側(cè)跌倒3鐘跌倒姿勢進行跌倒檢測實驗。實驗結(jié)果驗證了方案的可行性和準確性,所設(shè)計的基于慣性傳感技術(shù)的跌倒報警器能夠準確的檢測到跌倒的發(fā)生。

          6 結(jié)論

            本文針對老人摔倒后果的嚴重性,設(shè)計了一種基于慣性傳感技術(shù)的老人跌倒報警器。由于結(jié)合了現(xiàn)代智能手機,報警器具有裝置小巧、攜帶方便的特點,適用于經(jīng)常單獨活動的老人。具有穩(wěn)定、可靠、方便攜帶等優(yōu)點,有著非常廣泛的應用前景和廣闊的市場。

            參考文獻:

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            本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第51頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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