基于MMA7260QT三軸加速度傳感器的跌倒探測(cè)儀的研制

　　事務(wù)處理及狀態(tài)機(jī)
　　根據(jù)跌倒探測(cè)器的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)要同時(shí)具備計(jì)步器、跌倒檢測(cè)、報(bào)警處理、系統(tǒng)設(shè)置和無(wú)線通信控制等功能。

　　事務(wù)處理的方法借鑒操作系統(tǒng)中的線程概念。首先將每項(xiàng)事務(wù)執(zhí)行的操作明確，確定每種操作的優(yōu)先級(jí)、相互關(guān)系和對(duì)資源的要求，然后在主循環(huán)中設(shè)置各種操作的啟動(dòng)機(jī)制，從總體上看，這些事物在主循環(huán)中并行地得到實(shí)現(xiàn)。跌倒探測(cè)器事務(wù)處理的調(diào)用關(guān)系如圖6所示。

　　針對(duì)某些項(xiàng)事務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)，在軟件設(shè)計(jì)中采用了狀態(tài)機(jī)的方法以確保整個(gè)任務(wù)能夠順暢而正確地得以實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)設(shè)置
　　系統(tǒng)設(shè)置主要完成一些初始化操作和需要使用者進(jìn)行確認(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定操作。
系統(tǒng)初始化工作主要由MCU完成，包括各種配置寄存器的設(shè)置、液晶初始化指令和存儲(chǔ)緩沖區(qū)的設(shè)置，初始化工作將保證系統(tǒng)各功能組件能夠在上電后正常啟動(dòng)。

　　MCU初始化--MCU_Init( )：
　　通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)MCU的啟動(dòng)和對(duì)各功能外設(shè)（Peripheral）的管理：
時(shí)鐘：MCU工作采用內(nèi)部時(shí)鐘，通過(guò)設(shè)置ICS控制寄存器實(shí)現(xiàn)；

端口：根據(jù)系統(tǒng)端口分配方案，結(jié)合相關(guān)外設(shè)--I2C、SCI的控制寄存器實(shí)現(xiàn)；
I2C控制器：傳輸速率、地址選擇設(shè)定；
SCI控制器：波特率設(shè)置。

　　液晶初始化--LCD_Init( )：
　　通過(guò)指令初始化液晶驅(qū)動(dòng)控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。

　　存儲(chǔ)緩沖區(qū)初始化--RT_Data、 Word_Base[ ]：
　　MC9S08QG8內(nèi)部集成了512字節(jié)的RAM滿(mǎn)足程序運(yùn)行所需。而在跌倒探測(cè)器運(yùn)行過(guò)程中，MCU持續(xù)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，因此要為數(shù)據(jù)分析預(yù)先開(kāi)辟好緩存區(qū)。同樣，在利用CDMA發(fā)布報(bào)警信息時(shí)，報(bào)警信息文字內(nèi)容需要在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先設(shè)定好，并在需要使用時(shí)通過(guò)指針調(diào)用。

　　需要使用者進(jìn)行確認(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定，是指跌倒探測(cè)器報(bào)警信息的接收方可以根據(jù)實(shí)際情況由使用者進(jìn)行設(shè)定，例如親屬的移動(dòng)電話或急救中心的固定座機(jī)（要求能夠接收短信）。使用者可以通過(guò)按鍵配合液晶，輸入接收方的號(hào)碼即可，必要時(shí)使用者也可以對(duì)接收方號(hào)碼進(jìn)行修改。

　　按鍵功能
　　按鍵功能在軟件設(shè)計(jì)中單獨(dú)提出是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)受限于MCU端口數(shù)量，無(wú)法按照預(yù)先設(shè)計(jì)的人機(jī)交互需求安排足夠端口作為鍵盤(pán)掃描之用。本設(shè)計(jì)中最終確定使用2個(gè)按鍵，按鍵的功能設(shè)定及使用方法設(shè)計(jì)如下。

　　"Alam"鍵(啟動(dòng)報(bào)警接收方號(hào)碼輸入、手動(dòng)報(bào)警)：
　　跌倒探測(cè)器一般工作模式下，長(zhǎng)按（超過(guò)2秒）"Alam"鍵，啟動(dòng)報(bào)警信息發(fā)布功能，適用于除跌　　倒情況外其他緊急情況；
　　跌倒探測(cè)器一般工作模式下，按"Alam"鍵，跌倒探測(cè)器進(jìn)入設(shè)置報(bào)警接收方號(hào)碼狀態(tài)，配合"Alter"鍵實(shí)現(xiàn)號(hào)碼輸入；
　　跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時(shí)，按"Alam"鍵，直接發(fā)布報(bào)警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；
　　"Alter"鍵(計(jì)步器啟動(dòng)、暫停、清零、取消報(bào)警、設(shè)置報(bào)警接收方號(hào)碼)：
　　跌倒探測(cè)器一般工作模式下，按"Alter"鍵在計(jì)步器啟動(dòng)、暫停和清零三項(xiàng)功能之間切換；
　　跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警接收方號(hào)碼輸入狀態(tài)時(shí)，"Alter"鍵執(zhí)行液晶顯示的數(shù)字加1的操作，數(shù)字從0-9循環(huán)；
　　跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時(shí)，按"Alter"鍵取消報(bào)警，然后關(guān)閉蜂鳴器。

　　計(jì)步器
　　MCU始終在分析佩戴者身體姿態(tài)的信息，因此可以將佩戴者的行走動(dòng)作分析作為一項(xiàng)附屬結(jié)果輸出，從而使跌倒探測(cè)器還具有了計(jì)步器的功能。

　　參考圖1，在理想狀態(tài)下的步行過(guò)程中，X軸和Z軸都應(yīng)該能夠檢測(cè)到加速度的周期性變化--X軸由前進(jìn)的動(dòng)作引起，Z軸由身體的上下起伏引起，這種周期性的變化可以為步行動(dòng)作的分析提供依據(jù)。由于在實(shí)際使用過(guò)程中，身體隨邁步動(dòng)作產(chǎn)生相應(yīng)的晃動(dòng)同樣會(huì)引起加速度傳感器在三個(gè)正交坐標(biāo)軸方向上的輸出，因此在設(shè)計(jì)檢測(cè)算法時(shí)應(yīng)設(shè)定合適的加速度閾值。只有超過(guò)一定幅度的輸出才被看作是由于邁步動(dòng)作所引起，避免由于正常的身體晃動(dòng)引入的各種偽差。計(jì)步器實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖7。

 　　跌倒檢測(cè)
　　危險(xiǎn)的或者可能已產(chǎn)生較嚴(yán)重后果的跌倒發(fā)生后，人體通常處于水平狀態(tài)，因此對(duì)于這種類(lèi)型的跌倒，要求跌倒探測(cè)器都能夠檢測(cè)到并實(shí)施報(bào)警處理機(jī)制。而對(duì)于其他較為復(fù)雜的跌倒過(guò)程，則需要通過(guò)報(bào)警機(jī)制的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)跌倒探測(cè)及危險(xiǎn)報(bào)警的準(zhǔn)確觸發(fā)。跌倒檢測(cè)的算法狀態(tài)機(jī)如圖8所示，

　　跌倒檢測(cè)算法描述如下：

　　1)主循環(huán)等待，監(jiān)測(cè)Z軸加速度變化，如果超過(guò)閾值，進(jìn)入下一步；
　　2)等待加速度恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，進(jìn)入下一步；
　　3)再設(shè)置延時(shí)10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩(wěn)定；
　　4)數(shù)據(jù)分析，如果發(fā)現(xiàn)佩戴者身體水平，認(rèn)為發(fā)生跌倒?fàn)顩r，觸發(fā)報(bào)警處理。

　　報(bào)警處理
　　在本設(shè)計(jì)中，采用跌倒檢測(cè)算法和多種報(bào)警模式相結(jié)合的方式。跌倒探測(cè)器檢測(cè)到跌倒發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地將報(bào)警信息發(fā)布出去，才能保證跌倒者獲得救助。跌倒包含很多種類(lèi)型，有些情況下，檢測(cè)到的"跌倒"是有意識(shí)的行為--或者根本不是跌倒--假陽(yáng)性；另外，有時(shí)跌倒者仍然還保持一定的行動(dòng)能力，為了盡快得到救助，自身可以采取一定的行動(dòng)；還有一種情況，跌倒造成比較嚴(yán)重的后果，跌倒者已無(wú)法行動(dòng)。

　　針對(duì)上面提到的幾種情況，報(bào)警處理的軟件設(shè)計(jì)將加以區(qū)分對(duì)待：

　　檢測(cè)到跌倒后，系統(tǒng)啟動(dòng)30S的倒計(jì)時(shí)器，并打開(kāi)蜂鳴器，每3S響一次，如果沒(méi)有接收到任何輸入，30S結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)布報(bào)警信息；

　　進(jìn)入30S倒計(jì)時(shí)后，蜂鳴器"beep"，系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶(hù)輸入，跌倒探測(cè)器的兩個(gè)按鍵分別設(shè)置為"手動(dòng)報(bào)警"和"取消（報(bào)警）"的功能，如果用戶(hù)按"手動(dòng)報(bào)警"鍵，系統(tǒng)發(fā)布報(bào)警信息；

　　如果用戶(hù)按"取消"鍵，系統(tǒng)關(guān)閉30S倒計(jì)時(shí)和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計(jì)步器和跌倒檢測(cè)狀態(tài)。

　　通信控制

　　報(bào)警信息通過(guò)CDMA短信的方式發(fā)送給接收方，跌倒探測(cè)器采用DTGS-800b型CDMA模塊，通信控制就是使其能夠正常工作的一段例程。DTGS-800b型CDMA模塊提供RS232接口，MCU可以根據(jù)需要通過(guò)AT命令實(shí)施對(duì)通信過(guò)程的控制。具體通信例程根據(jù)設(shè)計(jì)需求應(yīng)包括如下內(nèi)容：

啟動(dòng)CDMA模塊--Comm_Start( )；
啟動(dòng)GpsOne?服務(wù)--Gps_Start( )；
獲得GPS空間定位信息--Gps_Position( )；
發(fā)送短信息報(bào)警--Send_SMS( )。
由于通信例程涉及的狀態(tài)不多，基本是按照上面的順序進(jìn)行，因而程序結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，這里就不再贅述。

結(jié)論

　　按照上述方案設(shè)計(jì)完成的跌倒探測(cè)器樣機(jī)線路板如圖9所示，左圖為帶有CDMA模塊線路，右圖為不帶CDMA模塊線路，可見(jiàn)其下方是讀SIM卡電路。上電后，該線路板各功能模塊工作正常，能夠完成加速度采集、EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和跌倒報(bào)警短信發(fā)送（包括自動(dòng)、手動(dòng)和取消模式），按鍵液晶均能夠正常