一种可穿戴式跌倒检测报警系统的设计

尤若宁,庄伟萍

中国人民解放军第一七四医院 医学工程科,福建 厦门 361003

[摘 要]目的研制一种可穿戴式的跌倒检测报警系统,能够在佩戴者跌倒时发出报警,并通过移动网络通知相关人员。方法通过陀螺仪搜集人体3轴加速度信息,采用蓝牙将数据发送到手机端APP并进行计算与判别,若判别为佩戴者跌倒,则APP控制手机发出报警并通过移动网络通知相关监护人员。结果经测试,本跌倒报警系统可穿戴,重量轻,跌倒状态识别准确,能够在跌倒时发出报警,并通过移动网络通知相关监护人员。结论本系统采用新型6轴运动处理组件及蓝牙4.0芯片,整机功耗低,一颗纽扣电池即可运行超过半年;数据在手机端进行处理,处理速度快、精度高,实时性好,判断准确;本系统能够准确判别跌倒状态,及时发出报警,在老年人等特殊人群发生跌倒后能够及时获得救助。

[关键词]可穿戴;陀螺仪;蓝牙;移动网络;跌倒检测;报警

引言

据统计,跌倒已成为除交通事故外第二大致死原因,也是老年人发生意外伤害的首要原因。而跌倒后没有得到及时救治或是发生二次伤害则是跌倒致死的最主要原因。因此能够第一时间检测到老年人跌倒的发生并发出报警,及时通知其监护人员,可以为救治老年人赢得宝贵时间[1]

近年来跌倒检测系统在国内外均有快速的发展。目前跌倒检测系统主要分为基于视觉图像的跌倒检测系统、基于环境的跌倒检测系统及可穿戴式的跌倒检测系统。其中基于视觉图像的跌倒检测系统准确度最高,但其计算量巨大、成本高,且只能在装有摄像头的室内使用;基于环境的跌倒检测系统需要在室内布置各类传感器,且只能在室内使用;可穿戴式的跌倒检测系统有一定的误判率,但其成本最低,计算量小,成为跌倒检测系统的最主要发展方向。在跌倒检测算法方面,大部分系统均采用阈值法,采用极限学习机、神经网络等人工智能进行检测的算法目前已有外国研发人员进行开发与测试[2]

本文设计一种可穿戴式的跌倒检测报警系统,通过陀螺仪搜集人体3轴加速度信息,采用低功耗蓝牙将数据无线发射到智能手机,通过智能手机上的应用程序(APP)对数据进行实时计算、分析,判别是否发生跌倒,若判定为佩戴者跌倒则控制智能手机发出报警,并通过移动网络通知相关监护人员此情况[3]

1 系统设计路线

本设计主要包括两部分:硬件系统设计和跌倒检测软件算法设计。

硬件系统设计方案为通过MPU6050读取人体3轴加速度信息,通过两线式串行总线(Inter-Integrated Circuit,I2C)接口将数据传给片上系统(System on Chip,SoC)蓝牙芯片nRF51822,通过蓝牙将数据发送给智能手机[4],由智能手机上的APP进行就算和判别,并根据具体情况发出报警并通过移动网络通知相关监护人员[5]。技术路线框图,见图1。

图1 技术路线框图

2 硬件系统设计

2.1 新型陀螺仪MPU6050

MPU6050是全球首例整合性6轴运动处理组件,集成了3轴MEMS陀螺仪和3轴加速度计,并带有一个可扩展的数字运动处理器(Digital Motion Processor,DMP),可扩展为9轴运动传感器芯片。其高度集成化,免除了组合陀螺仪和加速度计时轴间差的问题,同时缩小了芯片尺寸,减小芯片功耗。MPU6050通过I2C接口与外部设备进行通信,直接输出数字信号[6]

MPU6050每次上电后需要进行初始化,配置其内部的量程、低通滤波器、陀螺仪采样率等寄存器,以满足本次设计要求。采样率计算公式如下:

Sample Rate=Gyroscope Output Rate/(1+SMPLRT_DIV)

其中,Sample Rate为采样率,Gyroscope Output Rate为陀螺仪的输出率,SMPLRT_DIV为需要配置的寄存器。同时,本次设计将加速度输出量程设置为±8 g,角速度量程设置为±1000°/s。

配置上位机nRF51822的I2C总线,P0.01引脚作为SCL,P0.00作为SDA。其连接图,见图2。

图2 MPU6050接线图

2.2 SoC主控芯片nRF51822

本设计采用Nordic Semiconductor公司生产的SoC芯片nRF51822作为主控芯片,其整合了Nordic的无线收发器,一颗32位ARM Cortex M0内核、256 kB flash 和16 kB RAM,并集成了timer等多种外设,采用嵌入式C语言进行编程,同时完全支持蓝牙4.0规范和专用的2.4 GHz协议栈[7]。nRF51822接线图,见图3。

图3 nRF51822接线图

nRF51822采用ARM内核,不需要另外增加一块微控制单元(Microcontroller Unit,MCU)芯片进行控制,能够通过编程直接对MPU6050的I2C接口进行读写操作与时序控制,并将数据通过蓝牙进行传输。同时nRF51822完全支持蓝牙4.0,且一块芯片几个进行数据采集控制与发送,能够进行蓝牙低功耗技术(Bluetooth Low Energy,BLE)程序开发,大大降低系统功耗,传输距离可达100 m。

3 软件系统设计

3.1 芯片配置及软件设计

3.1.1 MPU6050配置

MPU6050每次上电后都需要对其进行初始化,配置其内部的各个寄存器。下面介绍几个重要寄存器的配置[8]

Sample Rate Divider寄存器用于设置采样率。其中SMPLRT_DIV为8位无符号数,通过SMPLRT_DIV对陀螺仪的输出频率进行分频,得到采样频率。采样率的计算公式为:

Sample Rate=Gyroscope Output Rate/(1+SMPLRT_DIV)

其中,Sample Rate为采样率,Gyroscope Output Rate为陀螺仪的输出率,SMPLRT_DIV为需要配置的寄存器。当数字低通滤波器没有使能的时候,陀螺仪的输出频率等于8 kHz,反之等于1 kHz。本设计使能低通滤波器,故将SMPLRT_DIV设置为0x07,得到采样率为1000 Hz。

Configuration寄存器CONFIG用于设置陀螺仪和加速度计外部帧同步(FSYNC)引脚采样和数字低通滤波器。通过配置EXT_SYNC_SET,可以对连接到FSYNC引脚的一个外部信号进行采样,这里设置为0,禁止外部信号输入。DLPF_CFG可配置低通滤波器,这里采用默认设计,即加速度计滤波带宽260 Hz、陀螺仪滤波带宽256 Hz,故将CONFIG设置为0x00。

Accelerometer Configuration寄存器用于配置加速度计的量程。其中AFS_SEL为2位无符号数,可配置加速度计的量程。本设计中加速度计的量程为设置为±8 g,故将该寄存器设置为0x08。

Gyroscope Configuration寄存器用于配置陀螺仪的量程。其中GFS_SEL为2位无符号数,可配置陀螺仪的量程。本设计中加速度计的量程为设置为±1000°/s,故将该寄存器设置为0x10。

同时配置Power Management 1(PWR_MGMT_1)等寄存器,关闭睡眠模式、关闭温度传感器、选择时钟源,设置MPU6050进入正常数据采集模式。

3.1.2 nRF51822配置及软件设计

nRF51822支持两线通信接口(Two-wire interface,TWI),也就是MPU6050使用的的I2C接口,使用其TWI接口需要对其进行初始化[9]。nRF51822总共有32个通用输入/输出(General Purpose Input Output, GPIO)口,每一个GPIO口都可以通过其PIN_CNF寄存器单独配置,可初始化为SCL和SDA引脚。本设计中将P0.01引脚作为SCL,P0.00作为SDA。在初始化结束时需要用库函数twi_ master_clear_bus()对I2C总线上的数据进行清除,保证之前的状态不会对后面造成影响。

nRF51822的TWI采用了可编程外围互连(Programmable Peripheral Interconnect,PPI)机制,即不同外设间可通过tasks和events进行自主互动而不需要通过CPU进行控制。在初始化时同样需要对PPI进行初始化配置,将通道0打开。

在TWI进行读写操作是,当数据长度不为0的事件发生时,通过PPI机制触发TWI传输挂起任务,数据继续传输;当数据长度为1的事件发生时,触发停止TWI传输任务;当数据长度为0的事件发生时,TWI接口读写程序直接终止。

由于nRF51822采用PPI机制,能够自主产生I2C对应的时序信号,不需要人为进行对SCL和SDA进行拉高或拉低并延时等处理,直接调用相关函数即可读取I2C总线上的数据。

读取数据后,通过配置timer从而设置发射频率,通过蓝牙将数据发送至智能手机进行后续处理。I2C总线时序,见图4。

图4 I2C总线时序

3.2 跌倒检测算法设计

考虑到跌倒的突发性、不自主性,身体在跌倒瞬间时的3轴加速度和角速度会发生剧烈变化,且变化时间极为短暂仅为数秒。本设计中将3轴加速的和成为人体总加速度[10],通过对总加速度的变化情况和3轴加速度的大小判断人体所处状态,同时借助角速度的变化情况对判断结果进行验证[11],若两者结果相同则判定为跌倒。

本次设计中总加速度为。通过实验,坐下、躺下等日常活动的总加速度均不超过2.4,因此本设计中将总加速度的阈值设为2.4。并通过3轴加速度的大小和角速度的变化情况来判断人体所处状态,若总加速度超过2.4且人体状态发生变化,并长时间保持此状态,则判定为跌倒。身体变化情况显示,见图5。具体流程图,见图6。

图5 身体状态发生变化(a)和身体状态不变(b)

图6 跌倒算法流程图

3.3 移动网络软件设计

手机端APP对数据进行处理后判断是否跌倒,若跌倒,则控制手机喇叭发出报警声,并将相关信息打包,发送给事先保存的监护人员的手机。打包的信息包括:跌倒发生的时间、跌倒的方向、跌倒地点定位等信息[12]

4 实验验证与结果

本次设计对跌倒检测报警系统进行了时间检测,分为日常动作、前摔、后摔、左摔、右摔共5种状态[13],平均准确率超过95%。具体实验结果,见表1。

表1 实验结果表 (%)

5 小结

通过上述对各种身体状态的实验测试结果可知,本文设计的可穿戴式跌倒检测报警系统能够准确识别出跌倒事件的发生及跌倒反向,并能及时发出报警。本系统采用蓝牙BLE技术和高集成化传感器及SoC芯片,大大降低功耗且数据传输无延时,一块纽扣电池就能满足系统持续工作半年以上[14];采用智能手机处理数据,算法准确性高且实时性好,能够在跌倒发生时及时发出报警并发送短信通知相关监护人员,赢得宝贵的救护时间[15-16]

[参考文献]

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本文编辑 袁隽玲

Design of a Wearable Fall Detection Alarm System

YOU Ruo-ning, ZHUANG Wei-ping

Department of Medical Engineering, the 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

Abstract:ObjectiveThis study aimed to develop a kind of wearable fall detection alarm system, which could send out alarm when the wearer fell down, and informed relevant staff via mobile network.MethodsThe triaxial acceleration information of the wearer was gathered by gyroscope, then the data was sent to the mobile phone APP by bluetooth for calculation and distinguish. If there was a fall in the discriminant for the wearer, the APP control mobile phones would send out alarm to related care workers via the mobile network.ResultsAfter testing, this fall alarm device was comfortable to wear, and was with features of light weight, falling state recognition accuracy, good alarm effect, informing related care workers via mobile network.ConclusionThis system is designed by adopting the new type 6 axis motion processing module and bluetooth 4.0 chips. The whole machine is low power consumption, and a button battery could run more than half a year. The data processing is conducted on the mobile, with high processing speed, high precision, real-time and accurate judgment. This system can accurately distinguish fall state and send out alarm timely. The special people such as the olds can receive timely aid after fell down.

Key words:wearable; gyroscope; bluetooth; mobile network; fall detection; alarm

[中图分类号]TP274

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.008

[文章编号]1674-1633(2017)08-0028-05

收稿日期:2016-10-08

修回日期:2016-10-13

作者邮箱:youruoning@sina.com