老齡化社會催生的跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著人類生活水平的不斷提高，人口老齡化成為一個全球性的發(fā)展趨勢。目前，我國已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會，老年人的身心健康問題得到人們更多的關(guān)注。老年人因生理結(jié)構(gòu)衰老和身體機(jī)能減退，發(fā)生意外跌倒的概率和頻率非常高。跌倒可以導(dǎo)致老年人身體組織挫傷、骨折甚至危及生命，并從心理上給老年人造成了壓力和恐懼感。實(shí)際上很多傷亡并不是由于意外跌倒本身造成的，而是由于跌倒發(fā)生后，老年人沒有得到及時的救治造成的。尤其現(xiàn)在社會上存在很多訛詐現(xiàn)象，導(dǎo)致人們不敢輕易伸出援助之手。因此，在老年人發(fā)生跌倒后，如何盡早被發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出求救信號進(jìn)行及時救治變得格外重要。為了老年人更健康地生活，研究設(shè)計(jì)一個老年人的跌倒檢測與報(bào)警系統(tǒng)具有十分重要的研究價值和實(shí)際意義。

目前，研究開發(fā)人體跌倒檢測系統(tǒng)方面的技術(shù)有很多種，最常見的是圖像分析和加速度分析法。都是基于視頻圖像分析的室內(nèi)跌倒自動檢測系統(tǒng)，這種技術(shù)準(zhǔn)確性高，人體動作清晰可見，但需要多部攝像機(jī)同時工作，且暴露了用戶的個人隱私，監(jiān)測范圍有限，受環(huán)境的影響也很大。另一種加速度分析方法，主要基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electromechanical System，MEMS)傳感器。MEMS技術(shù)近幾年得到了快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在跌倒檢測、狀態(tài)檢測、運(yùn)動檢測等方面。文獻(xiàn)[7-9]都是利用MEMS技術(shù)進(jìn)行人體跌倒檢測的，目前國內(nèi)一些基于MEMS技術(shù)的跌到檢測雖可較好實(shí)現(xiàn)跌倒檢測，但大多計(jì)算量較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、價格昂貴，難以得到廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)一種基于Arduino和三軸加速度傳感器的跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時采集人體加速度參數(shù)和地理位置信息，應(yīng)用于老年人意外跌倒后及時報(bào)警，兼具了性價比高、設(shè)計(jì)簡單、實(shí)時性高、低功耗、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)由Arduino最小系統(tǒng)、加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 跌倒檢測報(bào)警系統(tǒng)框圖

Arduino實(shí)時接收加速度參數(shù)采集模塊傳來的人體加速度參數(shù)值，單片機(jī)通過接收來的加速度值，經(jīng)過跌倒檢測算法來判斷穿戴者的體態(tài)，如果檢測出跌倒的發(fā)生，便觸發(fā)跌倒報(bào)警機(jī)制。當(dāng)?shù)拱l(fā)生時，通過GPS定位模塊能捕獲到穿戴者的具體地理位置，然后發(fā)出包含跌倒位置的報(bào)警求救信息，通知佩戴者的監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療機(jī)構(gòu)，進(jìn)行后續(xù)的救治。本系統(tǒng)在考慮這些功能需求的前提下，采用Arduino為控制核心，外圍連接加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，來完成整個系統(tǒng)的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括微控制器最小系統(tǒng)的選取、加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，以及各個模塊之間的連接。

2.1 Arduino平臺

Arduino是一款基于開源的電子原型設(shè)計(jì)平臺。Arduino包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路設(shè)計(jì)的電路板，基于AVR系列單片機(jī)和ARM微控制器，有豐富的外設(shè)接口和硬件資源;軟件部分則是Arduino IDE，是在計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。Arduino的模塊化設(shè)計(jì)，大大簡化了電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

其中，微控制器最小系統(tǒng)選用Arduino Uno，它是基于ATMEL公司的ATmega328P單片機(jī)的硬件平臺，具有32KB Flash、1KB EEPROM、14路數(shù)字輸入輸出口(其中6路可用于PWM輸出)、6路模擬輸入接口。同時，Uno預(yù)置了Bootloader程序，不需要其他外部燒寫器，可以直接通過USB下載程序。

2.2 加速度傳感器ADXL345

ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有多種可變的測量范圍，高分辨率，高靈敏度，超小的封裝，超低的功耗，標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，32級FIFO存儲，以及內(nèi)部多種運(yùn)動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得 ADXL345有助于大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測器應(yīng)用的加速度傳感器。圖2為ADXL345功能框圖。

圖2 ADXL345功能框圖

ADXL345標(biāo)準(zhǔn)的I2C數(shù)字接口可以和Arduino Uno的I2C接口方便通信，將ADXL345采集到的人體三軸加速度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)進(jìn)行跌倒檢測算法處理，圖3給出了ADXL345和單片機(jī)之間的I2C總線典型連接圖。ADXL345的(CS) ?管腳接高電平，表示ADXL345工作在I2C模式。SDA和SCL是I2C總線的數(shù)據(jù)線和時鐘線，分別連接到Arduino Uno相應(yīng)的I2C總線接口(A4和A5)。ADXL345的INT1管腳連接到Arduino Uno的INT0(Pin 2)，用來產(chǎn)生中斷信號。

圖3 ADXL345和單片機(jī)之間的I2C典型連接圖

2.3 GPS定位和GSM通信模塊SIM908

SIM908是一款集成了高性能GSM/GPRS引擎和GPS引擎的芯片。其中的GSM/GPRS引擎可以工作在GSM 850MHz，EGSM 900MHz，DCS 1800MHz和PCS 1900MHz四個頻段;GPS引擎具有一流的采集和跟蹤靈敏度、TTFF(Time-To-First-Fix)和準(zhǔn)確度[12]，這些特性可以很好地完成跌倒位置定位和發(fā)送報(bào)警信號的任務(wù)。在SIM908芯片上可以同時完成GPS定位和GSM通信功能，可以大大減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量和功耗。圖4為SIM908的功能框圖。SIM908通過UART口與Arduino Uno進(jìn)行通信，RXD和TXD分別與Uno的TXD和RXD相連，完成跌倒位置的GPS數(shù)據(jù)的捕獲和發(fā)送GSM報(bào)警短信功能。

圖4 SIM908功能框圖