摘要：基于STM32的用于老年人跌倒防護(hù)的裝置，由控制模塊，傳感器模塊，防護(hù)挽救模塊組成?？刂颇K以STM32為核心，控制模塊接收傳感器模塊檢測的加速度、角速度信號(hào)，使用閾值判斷法進(jìn)行分析，并能夠在老年人發(fā)生跌倒但未完全著地前為后面開啟防護(hù)措施提供信號(hào)，從而避免老年人受傷害。實(shí)驗(yàn)顯示，本系統(tǒng)采用的跌倒判斷算法準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單。
關(guān)鍵詞：跌到檢測；閾值算法；加速度計(jì)；陀螺儀；STM32

    隨著老年人口的劇增，老齡化問題成為當(dāng)前社會(huì)的最突出問題。目前已知世界范圍內(nèi)60歲以上的老年人口已超過6億。跌倒對(duì)于老年人群而畜是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，除了肢體上的傷害，跌倒之后在心理及社交生活上也可能造成嚴(yán)重的后遺癥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約三分之一65歲以上老人平均每年跌倒一次。面對(duì)這種情況，開發(fā)跌倒智能探測和報(bào)警系統(tǒng)，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義。
    目前的跌倒檢測可分為三類：基于視頻圖像的跌倒檢測，其不足之處是受空間上的限制、視頻圖像的質(zhì)量受環(huán)境影響較大和不能保證用戶的隱私安全；基于聲學(xué)系統(tǒng)的跌倒檢測，其不足之處是安裝復(fù)雜且資金投入比較大；基于穿戴式裝置的跌倒檢測，不受空間限制、環(huán)境干擾相對(duì)較小。
    本系統(tǒng)開發(fā)的是基于穿戴式裝置的防跌倒裝置系統(tǒng)，是通過加速度計(jì)和陀螺儀對(duì)老年人身體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測，采集到人體的加速度和角速度，再經(jīng)過徽處理器使用閾值判斷法進(jìn)行分析，并在未著地之前報(bào)警和進(jìn)行防護(hù)措施。本系統(tǒng)采用加速度計(jì)、陀螺儀和閾值判斷法使準(zhǔn)確度提高，日常行為的誤報(bào)低，并且實(shí)施保護(hù)防止老年人受到跌倒帶來的傷害。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    根據(jù)老人防跌倒裝置系統(tǒng)原理，整個(gè)系統(tǒng)有二部分組成：跌倒檢測部分和防護(hù)挽救部分。而跌倒檢測部分又由兩部分組成：系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，軟件算法使用閾值判斷法，硬件由以下四部分組成：
    1)傳感器模塊：用加速度計(jì)、陀螺儀實(shí)時(shí)采集人體加速度信號(hào)和角速度信號(hào)，再通過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送到STM32核心控制模塊上。
    2)SIM32核心控制模塊：接收傳感器A／D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理、分析并判斷是否符合跌倒條件，再通過D／A對(duì)安全氣囊進(jìn)行動(dòng)作。
    3)無線傳輸模塊：它是用于本模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線通信，使上位機(jī)得到數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)出跌倒檢測的算法，并根據(jù)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
    4)防護(hù)挽救模塊：通過STM32核心控制模塊對(duì)其發(fā)送動(dòng)作的信號(hào)，在老人沒跌倒在地之前進(jìn)行保護(hù)。
    本文主要介紹跌倒檢測部分，即硬件設(shè)計(jì)部分和軟件算法。系統(tǒng)的整體構(gòu)圖如圖1。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 STM32F103RBT6單片機(jī)
    基于穿戴式裝置要求系統(tǒng)輕便小巧和事前判斷跌倒發(fā)生要求處理單元運(yùn)行速度足夠快等因素考慮。本系統(tǒng)選用高性能的ARM?CortexTM—M3 32位的RISC內(nèi)核單片機(jī)STM32F103RBT6作為主處理單元，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到2條APB總線的外設(shè)。
2．2 加速度計(jì)
    加速度計(jì)屬于慣性感測元件，可測量物體的加速度。本系統(tǒng)選用亞德諾半導(dǎo)體公司的一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器ADXL345本設(shè)計(jì)中加速度傳感器與單片機(jī)STM32F103RBT6采用I2C總線連接方式，測量范圍+16 g，使用最大分辨率(13位)，數(shù)據(jù)輸出速率100 Hz。初始化主要對(duì)ADXL345的數(shù)據(jù)輸出速率、測量范圍、分辨率、數(shù)據(jù)的對(duì)齊模式以及中斷觸發(fā)方式進(jìn)行設(shè)置。
2．3 陀螺儀
    陀螺儀，是一種用來感測與維持方向的裝置。本系統(tǒng)中選用意法半導(dǎo)體公司可以讓用戶自主設(shè)定量程，提供一個(gè)16位數(shù)據(jù)輸出的三軸陀螺儀L3G4200D。本設(shè)計(jì)中L3G4200D使用I2C數(shù)字接口與單片機(jī)STM32F103RBT6相連，量程使用±250 dps，數(shù)據(jù)速率100 Hz，初始化主要對(duì)L304 200D的量程、數(shù)據(jù)速率的進(jìn)行設(shè)置。
2．4 無線傳輸模塊
    系統(tǒng)加入無線通信模塊，在驗(yàn)證算法時(shí)開啟無線通信，系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中使用Nordic公司電流消耗極低的RF24L01模塊。模塊與STM32單片機(jī)采用SPI方式連接，初始化主要對(duì)通信通道，通信頻率，數(shù)據(jù)寬度和收發(fā)模式進(jìn)行設(shè)置。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中是選擇穿戴式傳感器的方法設(shè)計(jì)跌倒探測器。由于腰部活動(dòng)范圍和頻率都較小，一般都保持豎直位置，有利于檢測且舒適度高，因此將裝置佩戴在腰部。下面我們應(yīng)用三軸加速度和角速度信號(hào)對(duì)人體的跌倒檢測技術(shù)進(jìn)行研究，并詳細(xì)論述跌倒檢測算法。
3．1 算法設(shè)計(jì)
    人體加速度向量幅值SVM判斷法是研究人體跌倒的常見方法。SVM通過計(jì)算加速度幅度反應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，其值越大說明運(yùn)動(dòng)越劇烈，其定義如式(1)。
    
    式中，αx、αy、αz分別為加速度傳感器的X、Y、Z三軸輸出，單位為g。
    采用該特征值的優(yōu)點(diǎn)在于其將空間的加速度合為一矢量，在跌倒判斷中忽略跌倒的方向。因?yàn)榘l(fā)生跌倒時(shí)，無論朝哪個(gè)方向，SVM都會(huì)超過某一闞值。而本系統(tǒng)使用的加速度閾值判斷法的的核心就是檢測人體的SVM的大小，從而判斷加速度是否超過正常范圍。下面對(duì)加速度閥值確定進(jìn)行研究。
    圖2是經(jīng)過試驗(yàn)得到的人體跌倒過程中的合加速度曲線。在跌倒過程中產(chǎn)生2個(gè)極值分別是圖2中第75個(gè)采樣點(diǎn)和第85個(gè)采樣點(diǎn)。第85個(gè)采樣點(diǎn)合加速度約為5．3g，這是由于人體跌倒時(shí)與地面碰撞產(chǎn)生的加速度，其幅值要比絕大多數(shù)日?；顒?dòng)產(chǎn)生的加速度幅值都要大，因此，許多人體跌倒檢測的算法都是根據(jù)這個(gè)幅值來判斷。

    但是此幅值來判斷的跌倒檢測算法人體已經(jīng)著地，跌倒傷害已經(jīng)產(chǎn)生了，而本系統(tǒng)需要對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)，即必須在人體跌倒著地之前進(jìn)行檢測，因此不符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過多次試驗(yàn)找到符合本系統(tǒng)要求的過程(圖2中從第50到第75個(gè)采樣點(diǎn)左右)，該過程一直呈下降趨勢直到合加速約為零，且該過程也明顯區(qū)別于日常動(dòng)作。本系統(tǒng)中把合加速度的閾值設(shè)為0．88 g，當(dāng)合加速度小于0．88 g時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，初步判定有可能發(fā)生跌倒，但是也有可能是突然站起或轉(zhuǎn)身等正常動(dòng)作引起的。由于該過程一直呈下降趨勢，因此設(shè)計(jì)中將本次加速度的值與上一次的加速度值做差如果差值小于零計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到一定值的時(shí)候就可以判斷人體發(fā)生跌倒。
    圖3是經(jīng)過試驗(yàn)得到的人體跌倒過程中的合角速度曲線(與圖2同一時(shí)刻)。通過試驗(yàn)得到當(dāng)合加速度值小于0．88 g至剛好著地的這段過程時(shí)(圖2中第55至第75個(gè)采樣點(diǎn))，陀螺儀檢測的角速度卻是增大的。但是實(shí)際觀察多次跌倒的角速度波形，發(fā)現(xiàn)跌倒時(shí)角速度并不是線性增加的，它有時(shí)候也會(huì)減小，但是總體是增加的。根據(jù)M．N．Nyan，F(xiàn)rancis E．H．Tay，E．Murugasu等人的研究，在這一時(shí)段角速度的變化很小只有10°／s。于是在算法判斷加速度減少并計(jì)數(shù)的同時(shí)加入角速度做差值且是否變化在10°／s內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)通過同時(shí)滿足加速度減小和角速度增加并計(jì)數(shù)能明顯減少單一運(yùn)用加速度計(jì)的誤判。

3．2 軟件整體設(shè)計(jì)
    結(jié)合跌倒判斷算法后，系統(tǒng)的整體軟件框圖如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)測試
    測試時(shí)為避免測試者在實(shí)驗(yàn)過程中摔傷，所有跌倒實(shí)驗(yàn)都在一張雙人床上完成，跌倒在雙人床上與跌倒在地面唯一不同的是，跌倒在地面產(chǎn)生的加速度沖擊會(huì)更大。因此，對(duì)本系統(tǒng)而言，跌倒在地面的情況會(huì)更容易檢測出來。
    系統(tǒng)測試分為兩部分，第一部分是通過模擬老年人幾種典型的跌倒方式來檢驗(yàn)跌倒判斷的識(shí)別率，在將要發(fā)生跌倒事件時(shí)，能夠準(zhǔn)確無誤的觸發(fā)報(bào)警。測試內(nèi)容包括向前跌倒，向后跌倒，向左側(cè)跌倒，向右側(cè)跌倒這4種典型類型的跌倒，每類跌倒各試驗(yàn)50次。
    第二部分通過正常的日?；顒?dòng)來檢測本系統(tǒng)的誤報(bào)率，實(shí)驗(yàn)的日?；顒?dòng)包括步行、彎腰、下蹲和慢跑等日常行為，同樣每類實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行50次。測試結(jié)果如表1所示。

    由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看到在實(shí)驗(yàn)條件下，每種跌倒的跌倒識(shí)別率都在95％以上。在捧除老年人做劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下(如表中的慢跑)，日常事件的誤報(bào)率約為0％，所設(shè)計(jì)的跌倒檢測系統(tǒng)能檢測出絕大多數(shù)的跌倒事件并準(zhǔn)確報(bào)警，對(duì)日常行為的誤報(bào)較低。
    為了提高系統(tǒng)的可靠性，本次還研究了從防跌倒裝置開始報(bào)警到老年人完全跌倒在地上之間的時(shí)間，我們根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和算法，得到裝置開始報(bào)警到老年人完全跌倒在地上之間采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，再根據(jù)采樣時(shí)間求得時(shí)間。此時(shí)間越長表示后續(xù)的防護(hù)措施可進(jìn)行更復(fù)雜的保護(hù)，老年人跌倒受傷的幾率就越低。防護(hù)措施可用時(shí)間如表2所示。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)使用了三軸加速度傳感器ADXL345，三軸角速度傳感器L3G4200D、nRF24L01無線傳輸模塊和STM32F103RBT6嵌入式處理器，實(shí)時(shí)采集人體跌倒的加速度和角速度數(shù)據(jù)，并運(yùn)用了以特征量閾值判斷的跌倒檢測算法為主的解決方案，完成了老人跌倒檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)分析，排除老年人做劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地檢測跌倒并能在老年人未著地之前報(bào)警并實(shí)施后續(xù)防護(hù)措施，其準(zhǔn)確率高。且本系統(tǒng)可靠性高、簡單，易于穿戴。