可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于電子信息檢測領域，具體提供一種可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端。所述可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，包括加速度傳感器、控制器、GPS模塊、GSM模塊、蜂鳴器接口、電源管理模塊；所述控制器與所述加速度傳感器、GPS模塊、GSM模塊連接、電源管理模塊、蜂鳴器相連。本實用新型利用加速度傳感器采集人體跌倒姿態參數，GPS模塊檢測跌倒發生位置，GSM模塊發送遠程報警短信，智能手機實時接收報警信號，查詢人體跌倒位置及時救援；實現了人體跌倒檢測與定位精細化管理，提高了檢測精度與位置測量精度，同時不受環境條件干擾，不僅適用范圍廣，而且成本低，具有結構簡單的特點。
【專利說明】
可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端
技術領域
[0001] 本實用新型屬于電子信息檢測領域，涉及人體跌倒檢測系統，具體提供一種可穿 戴式人體跌倒檢測與定位終端。
【背景技術】
[0002] 我國逐漸步入老齡化社會，空巢老人和獨居老人數量不斷增加，老年人身心健康 應得到廣泛關注。老年人身體衰弱、行動遲緩、平衡能力差，跌倒是老年人潛在的巨大安全 隱患，跌倒后不能及時救助可能給老年人造成重大危害，危及生命。及時救助不慎跌倒老年 人，將極大提高老年人生活質量與尊嚴，降低老年人因跌倒致傷、致殘率，老年人跌倒檢測 與定位系統需求尤為迫切。
[0003] 目前，人體跌倒檢測方法有基于聲學的跌倒監測，利用人體摔倒在地板上沖擊力 產生聲音或木地板震動，提取聲音信號特征，判斷老年人是否跌倒;該方法只適合在室內或 安裝有木地板的地方使用，而且不同地板老年人摔倒后產生的聲音不同，老年人不同情況 跌倒產生的沖擊力也不同，誤差較大。另一種是基于圖像的跌倒監測方法，在老年人活動頻 繁的地方安裝攝像頭，捕捉老年人運動畫面，提取監控視頻中運動目標圖像輪廓，判斷老年 人跌倒特征信息，根據特征信息變化檢測是否發生跌倒事件;該方法使用受到環境空間、視 頻質量的限制，運動物體必須來自視頻監控，容易侵犯個人隱私，檢測范圍有限沒有視頻監 控的地方無法識別老年人運動特征，誤差較大。因此，提供一種準確率高、適用性強的便攜 式人體跌倒檢測與定位終端具有重要的意義。 【實用新型內容】
[0004] 針對現有人體跌倒檢測方法對環境空間條件依賴性大、誤差較大的缺陷，本實用 新型提供了一種普適性強、可穿戴式的人體跌倒檢測與定位終端裝置。
[0005] 為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0006] -種可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端包括加速度傳感器、控制器、GPS模塊、GSM 模塊、蜂鳴器接口、電源管理模塊;所述控制器與所述加速度傳感器、GPS模塊、GSM模塊、電 源管理模塊、蜂鳴器相連。
[0007] 優選地，所述加速度傳感器為數字三軸加速度傳感器;所述控制器為嵌入式微控 制器;所述電源管理模塊為直流電源管理模塊。
[0008] 具體地，所述加速度傳感器采用MMA8652FC的12位數字三軸加速度傳感器，檢測在 X、Y、Z三個方向上的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均值MADS、姿態角yaw;所 述控制器采用FPGA S0C嵌入式微控制器;所述電源管理模塊采用MC34673單輸入全自動電 池充電管理器;所述蜂鳴器接口采用三極管放大電路。
[0009] 進一步地，所述加速度傳感器獲取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平 均值MADS、姿態角yaw經信號處理后傳給所述控制器，當所述控制器判斷取值超過設定值 時，控制器判斷為發生跌倒；進而從GPS模塊獲取位置信息，將指令信號傳遞給所述GSM模 塊、蜂鳴器。
[0010]優選地，所述加速度傳感器獲取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平 均值MADS、姿態角yaw采用卡爾曼濾波器信號處理。
[0011]優選地，所述控制器還連接JTAG接口。
[0012] 本實用新型利用三軸加速度傳感器采集人體跌倒姿態參數，GPS模塊檢測跌倒發 生位置，GSM模塊發送遠程報警短信，智能手機實時接收報警信號，查詢人體跌倒位置及時 救援;實現了人體跌倒檢測與定位精細化管理，提高了檢測精度與位置測量精度，同時不受 環境條件干擾，不僅適用范圍廣，而且成本低，具有結構簡單的特點。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本實用新型的系統組成圖。
[0014] 圖2為本實驗新型的系統實施流程圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖及具體實施例，對本實用新型做進一步的說明。
[0016] 實施例--種可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端
[0017] 為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新 型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0018] 如圖1所示，本實用新型可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端包括加速度傳感器、控 制器、GPS模塊、GSM模塊、蜂鳴器接口、電源管理模塊;所述控制器與所述加速度傳感器、GPS 模塊、GSM模塊、電源管理模塊、蜂鳴器相連。
[0019] 具體地，加速度傳感器為數字三軸加速度傳感器;所述控制器為嵌入式微控制 器;所述電源管理模塊為直流電源管理模塊。加速度傳感器采用MMA8652FC的12位數字三軸 加速度傳感器，檢測在X、Y、Z三個方向上的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均 值MADS、姿態角yaw;所述控制器采用FPGA S0C嵌入式微控制器;所述電源管理模塊采用 MC34673單輸入全自動電池充電管理器;所述蜂鳴器接口采用三極管放大電路。控制器還連 接JTAG接口。
[0020] 以上系統中控制器協調處理其他模塊數據，是系統控制核心;數字三軸加速度傳 感器感知采集老年人姿態信號，是系統感知模塊;GSM模塊發送老年人跌倒報警信號，遠程 實時掌控老年人姿態;GPS模塊采集老年人位置信息，掌握老人具體位置;直流電源管理模 塊提高直流電源效率，增加系統待機時間；老年人跌倒事件發生后蜂鳴器電路判斷GSM模塊 是否成功發送跌倒報警信息并完成。
[0021] 具體的，加速度傳感器獲取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均值 MADS、姿態角yaw經信號處理后傳給所述控制器，當所述控制器判斷取值超過設定值時，控 制器判斷為發生跌倒;進而從GPS模塊獲取位置信息，將指令信號傳遞給所述GSM模塊、蜂鳴 器。人體跌倒屬于短暫性劇烈活動，過程可以分解為初始安全、失去平衡、沖擊接觸地面、倒 地平衡靜止幾種狀態，跌倒方向有前傾、后仰、左側、右側。人體運動特征向量包括速度、加 速度、加速度向量幅值SVM(Signal vector magnitude)、微分加速度幅值絕對平均值MADS (Mean absolute value of differential)、姿態角yaw等。由安全狀態到跌倒狀態加速度 及加速向量幅值SVM變化過程由零增加再減小，微分加速度幅值絕對平均值MADS變化過程 由零增加再減小；垂直姿態角yaw即老年人與地面夾角遠大于90°或小于90°，正常直立約 為90° ;本實驗新型系統采用三級閾值判斷老年人跌倒狀態:跌倒期間加速向量幅值SVM峰 值會超過1.8g;微分加速度幅值絕對平均值MADS峰值是否超過0.36g/s;與地面垂直姿態角 yaw即z平面與xy平面夾角是否接近于90°，即當SVM>1 · 8g、MADS>0 · 36g/s、yaw〈80°或yaw> 100°即判定老年人跌倒。通過三級閾值檢測準確判斷老年人是否跌倒，保證判斷準確率。
[0022]另外，所述加速度傳感器獲取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均值 MADS、姿態角yaw采用卡爾曼濾波器信號處理。由于加速度傳感器易受噪聲干擾使輸出產生 漂移，為降低干擾對傳感器輸出數據進行最優處理，系統采用卡爾曼濾波器。卡爾曼濾波器 利用線性系統狀態方程，通過輸入輸出觀測數據，用反饋控制估算某一時刻狀態，對系統狀 態進行最優估算;卡爾曼濾波物理意義直觀，時域狀態空間數據存儲量小，算法簡單，適用 于平穩或非平穩的隨機過程。
[0023] 具體硬件和系統組成：
[0024] 控制器采用Altera公司Cyclone V GXC3低功耗FPGA S0C嵌入式微控制器，10引腳 3.3V供電，輸入最大電壓3.8V，輸出最大電流40mA，內核1.2V供電，鎖相環2.5V供電，208支 引腳PLCC封裝，用戶可靈活配置144支引腳。器件支持400MHz DDR3SDRAM增強存儲器控制 器，內含600Mbps-3.125Gbps數據收發器，18位嵌入式乘法器114個，精度可調DSP模塊57個， 適用于復雜環境下便攜式設備數字信號處理。
[0025] 加速度傳感器選擇飛思卡爾MMA8652FC低電壓、低功耗12位數字三軸加速度傳感 器，1.95V-3.6V電壓供電、±2g、±4g、±8g三種重力加速度檢測量程，輸出數字信號頻率為 1.56Hz-800Hz可配置，I2C協議輸出數據、10腳小型DFN封裝，兩個可配置中斷引腳，廣泛用 于姿態檢測。
[0026] GSM模塊選用SIEMENS公司TC35,支持標準AT指令與擴展AT指令，工作在900與 1800MHz雙頻段，兼容RS232接口，完成遠程數據傳輸。TC35電源電壓3.3V-4.2V，休眠模式電 流2.511^，空閑模式電流3.511^，63]\1 900收發功率為21，63]\11800收發功率為11 [0027] GPS模塊采用上海萬硅電子有限公司WGL20,基于嵌入式處理芯片SIRFstar，支持 48個PRN頻道，3.3V電壓供電，定位電流57mA、追蹤電流47mA，熱啟動時間小于1S，定位精度 大于2.5m，最大移動速度515m/s，接口電平兼容為RS232或TTL，用于各類導航與人員搜救定 位。WGL20有三種工作模式:定位模式、追蹤模式、休眠模式，系統上電硬件自動進入定位模 式搜索、追蹤衛星，確定衛星數量、信號載波頻率、接收衛星信號;完成后進入追蹤模式分析 接收衛星數據，對定位數據進行解調，保持追蹤;燒寫程序時模塊轉入休眠模式。
[0028]蜂鳴器采用三極管放大電路，用于老年人跌倒后完成GSM信號發送的本地報警信 號。
[0029]電源管理模塊采用MC34673單輸入全自動電池充電管理器，為單級鋰電池提供 1.2A充電電流，兼容DC與USB充電，最大輸入電壓28V，具有恒流充電、涓流充電、過壓保護等 功能，能滿足復雜環境下便攜式設備電池管理。
[0030]利用本實用新型可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端的實施信息獲取和處理的流 程如附圖2，首先系統上電初始化各模塊，設置工作模式。MMA8652FC具有三種工作模式:OFF 模式，VDD〈1.8V，傳感器所有功能被禁止器件處于掉電狀態，數字時鐘與模擬時鐘停振， I2C總線停止工作；STANDBY模式，模擬部分停止工作，數字時鐘、I2C總線正常工作;ACTIVE 模式，器件正常工作狀態。設置地址為OXOE系統功能寄存器XYZ_DATA_CFG[ 1:0] = 0X00傳感 器采樣精度± 2g;設置地址為0X27系統功能寄存器PULSE_LTCY [ 7:0 ] = 0X01傳感器12C接口 輸出數據頻率為400Hz;設置地址為0X00系統功能寄存器Data Status[7:0] =0X10傳感器 數據寄存器數據隨時更新；設置地址為0Χ0Β系統功能寄存器SYSMOD[ 1:0] = 0X00進入 ACTIVE正常工作模式，分別從OUT_X、OUT_Y、OUT_Z加速度數據寄存器地址為0X01-0X06高位 在前低位在后讀出X、Y、Z三軸加速度數據信號。加速度采用三級閾值檢測老年人跌倒信號， 確保對老年人姿態檢測精度。GPS測量跌倒狀態經度與維度，GSM模塊及時發送跌倒報警信 號至手機，通過手機ΑΡΡ接口查詢老年人跌倒位置及時救援。
[0031 ]實施例二使用一種可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端
[0032]利用本系統中所述可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端做檢測老年人跌倒實驗，主 要關注檢測老年人跌倒準確率、GPS定位誤差、GSM模塊遠程發送報警信號實時性。根據老年 人日常行為及姿態，將可穿戴式老年人跌倒監測與定位系統系于腰間，模擬跑步、步行、坐 下、蹲下、上下樓、彎腰、跌倒等大概率行為，測試系統檢測準確率與穩定性，判斷老年人跌 倒后GPS測試地點與實際跌倒地點誤差;記錄老年人跌倒事件發生時間與手機接收報警信 號時間，測試系統實時性，測試結果如表1。經測試，跑步、步行、坐下、蹲下、上下樓、彎腰等 大概率行為沒有一次被誤認為跌倒，系統檢測老年人跌倒行為穩定可靠、精度高，跌倒檢 測誤差率<1%，GPS定位距離誤差小于2米、實時性高，可廣泛用于老年人跌倒檢測。
[0033]表1使用本實用新型測試結果 人體 實際跌倒測試跌倒跌倒檢測 GPS定位 GSM報警 行為_ 次數/次 次數/次 誤差率/% 平均誤差/米平均延時/秒 跑、步 〇 〇 - - - 步行 _0. - -
[0034] 坐下 一 0 一 0 - 一 - - - 蹲下 0 0 - : = 1 _上下樓 0 Q - - - 彎腰 ^ 0 Q - - ^ - 跌倒丨 1QQ 99 1% 一 1.6 - 4 8 -
[0035]本系統利用三軸加速度傳感器判斷老年人跌倒情況，體積小、精度高；利用GPS模 塊測試老年人跌倒具體位置，確定跌倒救援位置;利用GSM模塊實時遠程發送老年人跌倒報 警信號，及時救援。實現了人體跌倒檢測與定位精細化管理，提高了檢測精度與位置測量精 度，同時不受環境條件干擾，適用范圍廣。
[0036]以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實 施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前 述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些 修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范 圍。
【主權項】
1. 一種可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，其特征在于:所述可穿戴式人體跌倒檢測 與定位終端包括加速度傳感器、控制器、GPS模塊、GSM模塊、蜂鳴器接口、電源管理模塊;所 述控制器與所述加速度傳感器、GPS模塊、GSM模塊、電源管理模塊、蜂鳴器相連。2. 根據權利要求1所述的可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，其特征在于:所述加速度 傳感器為數字三軸加速度傳感器;所述控制器為嵌入式微控制器;所述電源管理模塊為直 流電源管理模塊。3. 根據權利要求2所述的可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，其特征在于:所述加速度 傳感器采用MMA8652FC的12位數字三軸加速度傳感器，檢測在X、Y、Z三個方向上的加速度向 量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均值MADS、姿態角yaw;所述控制器采用FPGA SOC嵌入式 微控制器;所述電源管理模塊采用MC34673單輸入全自動電池充電管理器;所述蜂鳴器接口 采用三極管放大電路。4. 根據權利要求3中所述的可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，其特征在于:所述加速 度傳感器獲取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均值MADS、姿態角yaw經信號 處理后傳給所述控制器，當所述控制器判斷取值超過設定值時，控制器判斷為發生跌倒;進 而從GPS模塊獲取位置信息，將指令信號傳遞給所述GSM模塊、蜂鳴器。5. 根據權利要求3、4中任一項所述的可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，其特征在于： 所述加速度傳感器獲取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值絕對平均值MADS、姿態角 yaw采用卡爾曼濾波器信號處理。6. 根據權利要求1-4中任一項所述的可穿戴式人體跌倒檢測與定位終端，其特征在 于:所述控制器連接JTAG接口。
【文檔編號】G08B21/04GK205644898SQ201620323163
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月17日
【發明人】晏勇
【申請人】阿壩師范學院