基于三軸加速度傳感器的跌倒探測儀的研制

　　跌倒探測儀適用于自理能力和自我保護(hù)能力比較差的老年人和兒童，它通過測量佩戴該儀器的個體在運(yùn)動過程中的三個正交方向上的加速度來感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進(jìn)行報警和發(fā)布。

　　跌倒探測儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負(fù)責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負(fù)責(zé)將報警信息通過一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　人體運(yùn)動模型的建立

　　在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，重力將成為影響這一運(yùn)動過程的主要因素。跌倒過程中，對象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。

　　如圖1建立直角坐標(biāo)系，X、Y、Z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z三個方向上的分量變化。使用者正確佩戴跌倒探測器且處于靜止或水平勻速運(yùn)動狀態(tài)下，Z軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個方向上加速度為0。當(dāng)佩戴者跌倒時，如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現(xiàn)，理想情況下Z軸分量發(fā)生從最大值（1g）變化為0，而X或Y軸的分量則從0變化為最大（1g），具體是X軸還是Y軸發(fā)生這一變化，則由佩戴者跌倒后的姿態(tài)決定--平臥為X軸變化，側(cè)臥為Y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿足sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（站立情況下這個矢量和為0），仍然能夠通過計算分析得出與站立不同的加速度分布。

　　但是在實(shí)際情況中，僅根據(jù)加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因，容易出現(xiàn)很多假陽性（檢測到跌倒而實(shí)際沒有跌倒）或假陰性（未檢測到跌倒而實(shí)際出現(xiàn)跌倒）。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。一般來說，假陽性情況可以通過對加速度在時間域進(jìn)行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。因此，建立人體跌倒過程的運(yùn)動模型，提取跌倒過程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵。

　　無線通信及空間定位信息獲取

　　跌倒報警必須及時送達(dá)救助中心才能夠保證救助的有效性，報警信息的及時發(fā)布要求包含兩層含意：其一是報警信息不會因?yàn)榈?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/探測器">探測器佩戴者的行動和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報警信息中應(yīng)該包括佩戴者跌倒的地理位置內(nèi)容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。

　　采用無線通信的方式發(fā)布跌倒報警信息非常適合能夠自由行動的配戴者，無線通信技術(shù)從技術(shù)成熟度、運(yùn)行成本角度也都非常適用。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測器設(shè)計目的的實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)方案設(shè)計

　　需求分析

　　身體姿態(tài)監(jiān)測

　　通過三軸加速度傳感器的測量值，利用相應(yīng)算法計算出佩戴者的身體姿態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)跌倒動作時，能夠觸發(fā)MCU中斷處理。

　　報警控制機(jī)制

　　使用者可根據(jù)自己的身體狀況選擇是否報警，當(dāng)使用者已無法控制自己行為時，本產(chǎn)品應(yīng)能夠保證自動實(shí)施報警。

　　計步器

　　在一般佩戴過程中，用戶可使用該項(xiàng)功能，為自己的步行健身活動提供量化的參考信息。

　　空間定位

　　在實(shí)施跌倒報警時，應(yīng)為報警信息接受方提供報警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時到達(dá)。

　　無線通訊

　　能夠?qū)缶投ㄎ恍畔⑼ㄟ^無線方式傳輸?shù)较嚓P(guān)人員處。

　　供電采用鋰電池

　　部分信息顯示使用液晶屏

　　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)跌倒探測器的需求分析，具體的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計采用如圖2所示的架構(gòu)。該架構(gòu)基于高性能、低功耗MCU--MC9S08QG8，通過獲取加速度傳感器的采集信息，經(jīng)分析和計算后實(shí)現(xiàn)跌倒探測及報警等多項(xiàng)功能。

　　硬件設(shè)計

　　硬件設(shè)計圍繞MCU展開，產(chǎn)品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項(xiàng)任務(wù)處理，是設(shè)計的關(guān)鍵。參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)功能模塊劃分，系統(tǒng)的硬件設(shè)計詳細(xì)描述如下：

　　加速度采集電路

　　加速度采集使用MMA7260QT，該芯片輸出為模擬信號，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MC9S08QG8芯片的PA腳為復(fù)用通道，可根據(jù)需要設(shè)置為I/O、鍵盤中斷或A/D采樣通道。本設(shè)計將利用MC9S08QG8芯片內(nèi)部的A/D模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，具體實(shí)現(xiàn)中采用PA0、PA1和PA2作為三軸加速度的采集通道，與MMA7260QT的Xout（Pin15）、Yout（Pin14）和Zout（Pin13）相連，A/D采樣的控制時鐘通過軟件配置MC9S08QG8相應(yīng)控制寄存器完成。

　　MCU外圍電路

　　本設(shè)計中，MCU外圍電路包括電源與時鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分構(gòu)成，下面分別描述。

　　電源與時鐘

　　功能組件包括MCU、液晶、按鍵、采集、數(shù)據(jù)存儲和通信幾部分。根據(jù)所選用器件的數(shù)據(jù)手冊，各組件對供電要求如圖3所示。

　　從圖中可以看出，整個系統(tǒng)設(shè)計要求電源參數(shù)有三種，分別為3V、3.3V和3.7V。其中，主要數(shù)字電路部分--包括MCU及其外圍電路部分要求提供3.3V的工作電壓；而在無線通信模塊中，針對讀取入網(wǎng)SIM卡部分電路要求3V的供電電壓，CDMA射頻部分工作電壓要求不低于3.5V。

　　在實(shí)際設(shè)計中，輸出電壓為3.7V，由于能夠滿足CDMA射頻模塊的工作要求，故直接使用Li電池的輸出供電；聯(lián)通入網(wǎng)SIM卡信息讀取電路的工作電壓為3V，設(shè)計中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換工作；其他數(shù)字電路部分的工作電壓為3.3V，設(shè)計中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參見圖3中虛線框中的內(nèi)容。

　　MC9S08QG8自帶時鐘模塊（ICS），為了降低功耗和簡化設(shè)計，本系統(tǒng)通過軟件設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設(shè)計中不需作過多的考慮。

　　存儲器

　　有效的數(shù)據(jù)緩存要求至少具有320點(diǎn)（合1920字節(jié)）的存儲深度。 在本設(shè)計中，采用Holtek公司的HT24LC16串行EEPROM作為數(shù)據(jù)緩存。該芯片采用I2C通訊接口，存儲深度2K字節(jié)，數(shù)據(jù)讀寫速度在微妙量級，能夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時寫入的要求。數(shù)據(jù)寫滿后，MCU自動將地址重置，從首地址開始覆蓋寫入新的數(shù)據(jù)。

　　由于MC9S08QG8內(nèi)部配有I2C控制模塊，故只需將該模塊對應(yīng)管腳與EEPROM連接即可--使用PB6（Pin5）和PB7（Pin6）與EEPROM連接。

　　按鍵電路

　　報警確認(rèn)、報警取消、計步器啟動、計步器暫停、計數(shù)清零以及無線通信中接受方號碼的設(shè)置，都要求跌倒探測器具有用戶輸入的接口，設(shè)計中采用按鍵實(shí)現(xiàn)。按鍵的接法和使用較為簡單，直接利用MCU的輸入輸出管腳即可，本設(shè)計采用Pin1和Pin13。

　　液晶顯示

　　本設(shè)計采用5位7段碼液晶屏，計步器顯示計數(shù)和報警接受方電話號碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認(rèn)。液晶屏的控制管腳為24個，由于MCU全部管腳座位液晶控制也無法滿足工作需求，故在本設(shè)計中采用Holtek公司的HT1621B液晶驅(qū)動芯片完成從MCU到液晶屏顯示數(shù)據(jù)的管理和驅(qū)動。另外，HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅(qū)動能力，在本設(shè)計中，集成蜂鳴器作為現(xiàn)場報警提示將有助于提高跌倒探測器報警的針對性和準(zhǔn)確性，將通過在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實(shí)現(xiàn)。

　　HT1621B為I2C接口，MCU可通過內(nèi)部I2C控制模塊傳輸指令和數(shù)據(jù)給該芯片。由于本系統(tǒng)采用的EEPROM也是使用I2C接口，針對不同器件的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令將通過地址選擇加以實(shí)現(xiàn)。

　　通信模塊

　　本設(shè)計采用AnyData公司的DTGS-800b型OEM模塊。該模塊符合CDMA：IS-95 A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A、IS-707A以及IS-2000等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠提供最高153.6K的數(shù)據(jù)通訊速率，工作電壓3.6V~4.4V，外形尺寸為53*33*2.7mm，總重量為15g，提供外部通訊接口包括RS-232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、Ringer External Reset Control、R-UIM、MP3、MIDI、GPIOs和USB。另外該模塊可收發(fā)短信、集成GpsOne技術(shù)，無須添加其他組件即可得到地理定位信息，且廠家技術(shù)支持非常完善，其各項(xiàng)功能配置非常適合跌倒探測器的需求描述。

　　具體實(shí)現(xiàn)中，CDMA模塊要求配套入網(wǎng)SIM卡，模塊各項(xiàng)功能可由MCU通過RS232接口以AT命令的方式加以調(diào)用。本設(shè)計中通信模塊的設(shè)計如圖4所示。

　　MC9S08QG8的SCI外設(shè)接口經(jīng)TTL-RS232轉(zhuǎn)換后，與DTGS-800b的RS232端口相連，用以向該模塊發(fā)AT命令。由于該模塊要求7信號的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統(tǒng)設(shè)計中采用I/O口進(jìn)行軟件模擬其他的控制信號：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模塊通過SIM卡讀卡電路與SIM卡相連，內(nèi)部自帶處理器根據(jù)需要讀取SIM卡信息，完成CDMA的入網(wǎng)和通信信息的交換。

　　端口分配

　　由于本設(shè)計采用MC9S08QG8單片機(jī)僅能提供最多14個I/O端口，根本無法滿足控制整個系統(tǒng)運(yùn)行的信號數(shù)量要求，故在進(jìn)行具體設(shè)計時，對各管腳的使用和分配進(jìn)行了專門的部署，如圖5所示。

　　程序調(diào)試和燒入需要兩個端口，但完成調(diào)試和燒寫操作后，這兩個端口可以作為標(biāo)準(zhǔn)的I/O使用，故在設(shè)計中將其中一個I/O（Pin1）作為按鍵的輸入，實(shí)現(xiàn)了端口的復(fù)用。

　　CDMA組件與MCU的通訊要求

　　通過7信號RS232接口，而MC9S08QG8

　　的SCI模塊僅有TXD和RXD兩個信號，在設(shè)計中采用標(biāo)準(zhǔn)I/O通過軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)其它所需信號，包括DTR、CTS、RFR。

　　EEPROM和液晶驅(qū)動組件的存取采用I2C接口，本設(shè)計中將使用MC9S08QG8的I2C模塊進(jìn)行硬件控制，通過地址選擇實(shí)現(xiàn)不同組件間的切換。

　　軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計是系統(tǒng)各項(xiàng)功能具體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在跌倒探測器的軟件設(shè)計中，由實(shí)線系統(tǒng)功能引發(fā)的處理內(nèi)容較多，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機(jī)相結(jié)合的設(shè)計方法。

　　事務(wù)處理及狀態(tài)機(jī)

　　根據(jù)跌倒探測器的設(shè)計需求，系統(tǒng)要同時具備計步器、跌倒檢測、報警處理、系統(tǒng)設(shè)置和無線通信控制等功能。

　　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、相互關(guān)系和對資源的要求，然后在主循環(huán)中設(shè)置各種操作的啟動機(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)。跌倒探測器事務(wù)處理的調(diào)用關(guān)系如圖6所示。

　　針對某些項(xiàng)事務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)，在軟件設(shè)計中采用了狀態(tài)機(jī)的方法以確保整個任務(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。

　　MCU初始化--MCU_Init( )：

　　通過設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)MCU的啟動和對各功能外設(shè)（Peripheral）的管理：

　　時鐘：MCU工作采用內(nèi)部時鐘，通過設(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( )：

　　通過指令初始化液晶驅(qū)動控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。

　　存儲緩沖區(qū)初始化--RT_Data、 Word_Base[ ]：

　　MC9S08QG8內(nèi)部集成了512字節(jié)的RAM滿足程序運(yùn)行所需。而在跌倒探測器運(yùn)行過程中，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)先開辟好緩存區(qū)。同樣，在利用CDMA發(fā)布報警信息時，報警信息文字內(nèi)容需要在進(jìn)行軟件設(shè)計時預(yù)先設(shè)定好，并在需要使用時通過指針調(diào)用。

　　需要使用者進(jìn)行確認(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定，是指跌倒探測器報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）。使用者可以通過按鍵配合液晶，輸入接收方的號碼即可，必要時使用者也可以對接收方號碼進(jìn)行修改。

　　按鍵功能

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

　　"Alam"鍵(啟動報警接收方號碼輸入、手動報警)：

　　跌倒探測器一般工作模式下，長按（超過2秒）"Alam"鍵，啟動報警信息發(fā)布功能，適用于除跌倒情況外其他緊急情況；

　　跌倒探測器一般工作模式下，按"Alam"鍵，跌倒探測器進(jìn)入設(shè)置報警接收方號碼狀態(tài)，配合"Alter"鍵實(shí)現(xiàn)號碼輸入；

　　跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時，按"Alam"鍵，直接發(fā)布報警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；

　　"Alter"鍵(計步器啟動、暫停、清零、取消報警、設(shè)置報警接收方號碼)：

　　跌倒探測器一般工作模式下，按"Alter"鍵在計步器啟動、暫停和清零三項(xiàng)功能之間切換；

　　跌倒探測器進(jìn)入報警接收方號碼輸入狀態(tài)時，"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)；

　　跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時，按"Alter"鍵取消報警，然后關(guān)閉蜂鳴器。

　　計步器

　　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作分析作為一項(xiàng)附屬結(jié)果輸出，從而使跌倒探測器還具有了計步器的功能。

　　參考圖1，在理想狀態(tài)下的步行過程中，X軸和Z軸都應(yīng)該能夠檢測到加速度的周期性變化--X軸由前進(jìn)的動作引起，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作的分析提供依據(jù)。由于在實(shí)際使用過程中，身體隨邁步動作產(chǎn)生相應(yīng)的晃動同樣會引起加速度傳感器在三個正交坐標(biāo)軸方向上的輸出，因此在設(shè)計檢測算法時應(yīng)設(shè)定合適的加速度閾值。只有超過一定幅度的輸出才被看作是由于邁步動作所引起，避免由于正常的身體晃動引入的各種偽差。計步器實(shí)現(xiàn)的軟件流程如圖7。

　　跌倒檢測

　　危險的或者可能已產(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)，因此對于這種類型的跌倒，要求跌倒探測器都能夠檢測到并實(shí)施報警處理機(jī)制。而對于其他較為復(fù)雜的跌倒過程，則需要通過報警機(jī)制的配合，實(shí)現(xiàn)對跌倒探測及危險報警的準(zhǔn)確觸發(fā)。跌倒檢測的算法狀態(tài)機(jī)如圖8所示，

　　跌倒檢測算法描述如下：

　　1)主循環(huán)等待，監(jiān)測Z軸加速度變化，如果超過閾值，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)報警處理。

　　報警處理

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

　　針對上面提到的幾種情況，報警處理的軟件設(shè)計將加以區(qū)分對待：

　　檢測到跌倒后，系統(tǒng)啟動30S的倒計時器，并打開蜂鳴器，每3S響一次，如果沒有接收到任何輸入，30S結(jié)束后，系統(tǒng)自動發(fā)布報警信息；

　　進(jìn)入30S倒計時后，蜂鳴器"beep"，系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶輸入，跌倒探測器的兩個按鍵分別設(shè)置為"手動報警"和"取消（報警）"的功能，如果用戶按"手動報警"鍵，系統(tǒng)發(fā)布報警信息；

　　如果用戶按"取消"鍵，系統(tǒng)關(guān)閉30S倒計時和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計步器和跌倒檢測狀態(tài)。

　　通信控制

　　報警信息通過CDMA短信的方式發(fā)送給接收方，跌倒探測器采用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AT命令實(shí)施對通信過程的控制。具體通信例程根據(jù)設(shè)計需求應(yīng)包括如下內(nèi)容：

　　啟動CDMA模塊--Comm_Start( )；

　　啟動GpsOne?服務(wù)--Gps_Start( )；

　　獲得GPS空間定位信息--Gps_Position( )；

　　發(fā)送短信息報警--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)比較簡單，這里就不再贅述。

　　結(jié)論

　　按照上述方案設(shè)計完成的跌倒探測器樣機(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)存儲和跌倒報警短信發(fā)送（包括自動、手動和取消模式），按鍵液晶均能夠正常