基于单片机的老人跌倒检测装置

基于单片机的老人跌倒检测装置#

马少卿，孙荣霞，马征

(河北大学电子信息工程学院，河北保定〇71〇〇〇)

摘要：设计了一种基于单片机的老人跌倒检测装置，采用加速度、陀螺仪传感器采集原始信号。在进行数据融合时采用自适

应互补滤波算法，从频域角度消除噪声。针对该装置设计了一种计算量小的跌倒检测算法，并且加入了 GPS定位装置和GSM 短信模块。实验证明该跌倒检测算法计算量小、误判率低，并且能够实现精准定位。

关键词：跌倒检测；加速度；无线通信

DOI： 10. 19358/j. issn. 1674-7720.2017.09.029

引用格式：马少卿，孙荣霞，马征.基于单片机的老人跌倒检测装置[J].微型机与应用，2017,36(9):100-102，105.

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A

The fall detection device based on single chip microcomputer

Ma Sh

aoqing，Sun Rongxia，Ma Zheng

(School of Electronic and Information Engineering， Hebei University， Baoding 071000， China)

Abstract ： An elders fall detection device based on single chip microcomputer is designed in this paper. Accelerometer and gyro sensor are used to acquire the original signal. In the data fusion using adaptive complementary filtering algorithm，from the frequency domain to eliminate noise. A fall detection

algorithm with

small computation is

designed，and the GPS positioning

device

and GSM SMS

mental results show that the algoritlim has the advantages of low computational complexity，low false positive rate， and accurate positioning.Key words ： fall detection ； acceleration ； wireless communication

〇引言

研究表明，老年人跌倒发生率高，后果严重，是老年人 的首位伤害死因[1](而且跌倒的发生概率会随着年龄的 增长而升高，如果能够及时救助，可有效降低跌倒老人的死亡率[2](

目前研究开发人体跌倒检测系统方面的技术主要有 两种：图像分析法和加速度分析法[3](基于图像分析法， 准确率高，但是检测算法繁琐，成本高，不方便携带[3](基 于加速度分析法，不但成本低，而且不受环境的限制，功耗 低，方便携带[4](1

系统总体设计

本设计利用六轴陀螺仪加速度计MPU6050进行原始 信号的采集，采样频率为100 Hz，在进行姿态解算时，利用 互补滤波器进行滤波，通过对三轴加速信号进行预处理， 引入合成加速度。为了能够排除干扰，准确检测出跌倒， 将姿态角和合成加速作为特征量，引入三级跌倒检测算 法。一旦检测出跌倒，立即对老人的位置进行定位，同时 闪光灯闪烁。等待30 s后，如果用户没有手动取消报警， 则蜂鸣器发出声响，同时向目标手机和120发出报警短 信。系统还设置了一键报警功能。用户的家人可以通过!基金项目：河北省研究生创新资助项目（S2016015) 100

向本装置发送短信来获取老人的当前位置信息，防止老人 走丢。

系统的硬件主要包括惯性测量单元（Inertial Measure­

ment Unit ， IMU )、 GSM/GPRS 模

块、 GPS 定 位模块 、蓝牙

4.0模块、以STM32R03ZET6为核心的控制器、电源模块、

按键等。系统的结构框图如图1所示。

惯性测量单元选用的是InvenSens公司的MPU6050 芯片，它能够同时检测三轴加速度和三轴角速度，可以输 出数字量，并且传感器的测量范围是可选的。加速传感器 的测量范围选择为±8 g，陀螺仪的测量范围选择为 ±1 000 dps，可以满足系统的要求。其外围电路如图2所 示。利用芯片内部的数字运动处理器进行姿态解算，大大 降低了开发的使用难度。

《微型机与应用》2017年第36卷第9期

应用案例Cases of Application

通过上述分析可知，加速度传感器低频段动态响应较 好，但是在高频段表现不好。陀螺仪动态响应好，但是存 在漂移误差。所以在进行数据融合时采用自适应互补滤 波算法，从频域的角度来消除噪声，发挥它们各自的优势，

GND

la输出稳定可靠的姿态角[7]。互补滤波器的原理框图如图

InvaAAACLKIN

ss

ssosss ds

NCC

JNNDNCINCNcciriNCpM

u05(6-

I

NCDDI

aux_i

13H

p3—xnICJ

SOoo囊3.3 vA

oavsIis

V

dICN I

I

GND

图2

MPU6O5O外围电路

\\PS定位模块选用UBLOX公司的NE0-6M模组，该 模块体积小、功耗低、搜星能力强，并且可以连接各种有源 天线，非常适合应用到便携式设备中。

GSM/GPRS模

块选用SIM⑶M公司的工业级四频

SIM8OO芯片，可以实现低功耗语音和数据的传输。用户

可以通过AT

指令进行拨叫号码、接收短信、启动GPRS网

络等功能。

蓝牙4.O模块选用HM-13系列的蓝牙模块，用蓝牙 进行数据传输最有利的一个方面就是功耗低。低功耗蓝 牙技术大幅降低了系统的功耗，只需要用硬币大小的电池 即可保证系统正常运行几个月，非常适合应用在便携式设 备中。

按键的主要功能是提供手动报警和手动取消报警，以 降低系统的漏判和误判对用户造成的损失，同时还设置了 一键报警的功能。2

跌倒检测算法

25 特征值预处理

运动过程中加速度传感器测出的F轴、]轴和，轴的 加速度分别为/:、/;和/:。合成加速度为三轴加速度的 平方和再开方。合成加速度的大小可以表征人体运动的 激烈程度[5]。2.2 姿态解算

在进行数据解算时通过对角速度积分获得人体姿态 角，短时间内精度高，但是陀螺仪存在漂移误差，经过积分 运算后会变成积累误差，最终导致电路饱和。相反利用加 速度求解姿态角，其测量误差不会随时间的积累而增 加[6]。但是加速度传感器在人体运动时会给测量带来白 噪声，短时间内精度较低。

《微型机与应用》2O17年第36卷第9期

3所示。

图3互补滤波器原理框图

其中A为实际的姿态角，和M2为传感器在测量时 引入的高频噪声和低频噪声。加速度传感器引入的高频 噪声由低通滤波器Q (%滤除，陀螺仪引入的低频噪声由 高通滤波器滤除。两个滤波器在频域上具有互补 特性，滤波器的传递函数满足Q(% jQ(% =1。

2.3分类过程

通过上一小节的分析，设计了跌倒检测算法，检测参 数为合成加速度和姿态角。为了了解跌倒过程中加速度 变化规律，将检测装置放于腰间，测试者模仿老人跌倒，并 同时记录测试者三轴加速度变化。选取测试过程中具有 代表性的一组数据，用

Excel进行绘图分析。如图4

所示。

寸

60卜ICNee寸p9a60^/卜6IInA

lnoo

oolooooo

8

68

6e16086

ln

ln

ln6ln

加1 0速lnln度

1

01 0I度图人体 跌 倒时_合成成

的

合 S

速 变 化曲

线

从图4中可以看出，当人体静止时，合成加速度在1g

左右。当测试者跌倒时，其加速度先减小，然后增大，最后 趋于平稳。整个过程持续了 2 a左右。由此可以得到，跌 倒是一个短暂的过程，这一过程测试者经历了失重、撞击 和静止三种状态。

跌倒过程中合成加速度最大值在2. 6g上下，且有7 个连续的米样点合成加速度都在2. Og以上。并且通过对 人体姿态角采样，在跌倒后至少有一个姿态角的绝对值大 于 45。。

用同样的方法模拟老人正常走、快步走、坐下起立、跳 跃、跑步等日常活动，同时对合成加速度和姿态角进行了 采样、绘图、分析[8]，结果如表1。

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1O1

应用案例Cases of Application

表1 运动状态分析

活动正常走快步走坐下起立跳跃跑步

峰值1> g2-2 g1> g3-0 g2-5 g

连续超2. 0g次数

01083

姿态角超45。

无无无无无

实验内容正常走快步走坐下起立跳跃跑步

表2

日常活动检测结果

误判次数

00011

误判率/%

00044

2525252525实验次数

通过上述分析，把连续6个采样点的合成加速度大于 2. 〇g作为分类条件，可将跌倒与正常走等非剧烈运动区分 开。同时还可以将跌倒与快步走、跑步等周期性剧烈运动 区分开。为了减小误判率，可将跌倒后的类静止状态作为 分类条件。最后通过判断人体的姿态，进一步减小误判率。 3

实验结果与分析

为了测试跌倒检测装置的误判率和漏判率，邀请5名 志愿者（年龄:23 ~ 27岁，身高％ 160 ~ 180 ■，男2人，女3 人）分别模仿老人正常走、快步走、坐下、跑步、跳跃等曰常 活动，共测得125组数据，如表2所示。另外让5名志愿者 模仿老人向前、向后、向左、向右跌倒。共测得100组数据。

从表2可以看到，检测装置对于正常走、快步走等运 动的误判率为01，而对于跳跃、跑步等剧烈运动的误判 率达4%。考虑到老人进行激烈活动的次数较少，如果出 现误判，老人可以手动取消报警信号。

测试者在模仿老人跌倒试验中，向前或向后跌倒时，

漏判次数较少，准确率高达92%。但是在向左或向右跌 倒时，漏判次数较多。这是由于测试者均为模拟老人跌 倒，而且跌倒的方向并不是严格意义上的某一方向，所以 会出现不同程度的漏判。在检测到跌倒以后，该装置能够 将包含测试者位置信息的短信息完整地发送到目标手机。

(下转第105页）

西门子推出高性价比基本型工控机

•全新Simatic IPC327E箱式PC和

Simatic IPC377E

平板式PC进一步扩展了 Simatic IPC产品线

•最佳用于对性价比要求较高的应用

•应用广泛：HMI、装配工作站、仓储物流、数据采集和网络以及图像处理等 • 8种配置，直接库存供货，交货期短，可选配12、15或19英寸单点触摸宽屏显示器西门子近日再次扩展其工控机系列，推出了 SimFc IPC327E箱式P

C

和SimFc IPC377E面板式PC。这两

款无风扇基本型工控机针对诸多工业自动化应用进行了优化，性价比更高，尤其适用于H

ic IPC347E 机架式 PC

MI(人机界面）应用、

组装工作站、仓储物流、数据采集（如生产和能源数据），以及生产网络和简单的图像处理。与已可供货的Simat­

—起，专门设计用于机器制造商、分销商和系统集成商。该系列工控机免维护，可连续 24

小时运行，采用最新PC技术，配有多种实用接口。目前，可现货交付8款预配置型号：带12、15或19英寸单点 触摸式宽屏显示器的面板式PC和箱式PC。用户可选择预装Windows 7 Ultimate操作系统。

如果对工业环境中的证书、温度范围或保护等级无特定要求，使用全新Sim

Fc IPC327E

和IPC377E基本型

工控机，可快速实施相关应用。与所有Simatic工控机一样，均为最高质量打造，最佳适用于工业环境，提供有丰 富选件，部件之间可完美协同，无风扇设计，配有密封机箱，坚固可靠，使用寿命长。采用最先进PC技术，配有多 种接口，可轻松集成到新的和现有自动化解决方案中。均配有一个Intel Celeron四核处理器、一个500 G一个V

GA

B

硬盘、

和DisplayPort 口、一个PCIe迷你接口、两个千兆以太网接口和多达六个COM 口和USB3.0接口。

Simatic IPC377E

全新Simatic IPC327E箱式PC和基本型面板式PC进一步完善了西门子Simatic工控机产

品线。包括可扩展基本型、高级型、高端型和嵌人型箱式、面板式和机架式PC，以及专用型号。Simatic工控机系 列，涵盖从紧凑型无风扇嵌人式工控机到功能强大的可扩展高端工控机，均为工业应用而专门设计。对于移动 自动化工程，用户还可使用Simatic现场编程器和Simatic便携式工控机。

如需了解更多信息，请访问西门子中国网站:www. siemens, com. cn。

(西门子（中国）有限公司供稿）

102

《微型机与应用》2017年第36卷第9期

Cases of Application

指定的目标位置&1\"]。7

运动控制模块设计

运动控制模块主要完成机械臂的多轴运动控制，在软 件中使用了三次样条曲线插值的方法，将逆解求出的各关 节角目标值、各关节编码器反馈的各关节角当前值和约定 的整体运动时间作为插值输人参量代人，求得每个定时器 周期下各关节角的位置、速度和加速度值。利用液压缸的 运动特性，进行机械臂多轴运动控制。8

结论

使用本文设计的控制系统软件，通过激光定位装置获 取6组目标点，取末端破碎锤与地面垂直的姿态为最终姿 态，通过实验数据表1可发现定位误差在5 cm内，定位时 间为10 A且可调。通过实验可证明该控制系统软件满足 了破拆机器人机械臂运动自动化的目标。

表1 控制系统软件实验数据

序号1

23456

起始坐标

2 409.42，1 555.89，-816.542 472.61，1 753.63，-840.361 643.67，2 166. 81，-765. 14713.31，2 603.38，-658.17277. 80，2 611.47，-652. 17450.26，3 100.39，-714.67

目标坐标

2 097.67，1 354.58， -44.54

2 169.91，1 538.95，-68.361 419.39，1 871.15，6.861 244.18，2 118.30，30.33615.24，2 245.47，113.83238.54，2 242.45，119.83

定位时间定位误差

/cm/ s

103.9102.5104.1103.9104.3104.2

机械研究与应用，2009,25(4):47-51.

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(收稿日期：2016-12-14)

作者简介：

何锋（1977 -)，男，硕士，工程师，主要研究方向：机器人。

(上接第102页）4

结论

本文设计了一种基于单片机的老人跌倒检测装置，可 以实现对老人跌倒检测，并且利用GPS对老人进行定位，同 时将报警信息发送到目标手机上。此装置容易扩展，可加 人可燃气体探测器、心率检测传感器，组成一套针对老人健 康的检测系统。参考文献

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412-415.

(收稿日期：2016-12-08)

作者简介：马少卿（1992 -)，通信作者，男，在读硕士研究生，主要研究 方向：惯性传感器信号处理，无线传感网络。E-mail：2318923688@ qq. ccm0

孙荣霞（1960 -)，女，本科，高级工程师，硕士研究生导师， 主要研究方向：分析仪器、环境监测、检测技术及自动化装置。马征（1992 -)，男，硕士研究生，主要研究方向：检测技术及 自动化装置。

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