基于MMA7260QT三軸加速度傳感器的跌倒探測儀的研制

引言

　　跌倒探測儀適用于自理能力和自我保護能力比較差的老年人和兒童，它通過測量佩戴該儀器的個體在運動過程中的三個正交方向上的加速度來感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進行報警和發(fā)布。

　　跌倒探測儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負責采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負責為整個系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負責將報警信息通過一定的協(xié)議進行發(fā)布。

關(guān)鍵技術(shù)

　　人體運動模型的建立

　　在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，重力將成為影響這一運動過程的主要因素。跌倒過程中，對象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。

　　如圖1建立直角坐標系，X、Y、Z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z三個方向上的分量變化。使用者正確佩戴跌倒探測器且處于靜止或水平勻速運動狀態(tài)下，Z軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個方向上加速度為0。當佩戴者跌倒時，如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現(xiàn)，理想情況下Z軸分量發(fā)生從最大值（1g）變化為0，而X或Y軸的分量則從0變化為最大（1g），具體是X軸還是Y軸發(fā)生這一變化，則由佩戴者跌倒后的姿態(tài)決定--平臥為X軸變化，側(cè)臥為Y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿足sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（站立情況下這個矢量和為0），仍然能夠通過計算分析得出與站立不同的加速度分布。

 
　　但是在實際情況中，僅根據(jù)加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因，容易出現(xiàn)很多假陽性（檢測到跌倒而實際沒有跌倒）或假陰性（未檢測到跌倒而實際出現(xiàn)跌倒）。因此，需要算法作進一步改進。一般來說，假陽性情況可以通過對加速度在時間域進行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。因此，建立人體跌倒過程的運動模型，提取跌倒過程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵。

　　無線通信及空間定位信息獲取

　　跌倒報警必須及時送達救助中心才能夠保證救助的有效性，報警信息的及時發(fā)布要求包含兩層含意：其一是報警信息不會因為跌倒探測器佩戴者的行動和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報警信息中應(yīng)該包括佩戴者跌倒的地理位置內(nèi)容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。

　　采用無線通信的方式發(fā)布跌倒報警信息非常適合能夠自由行動的配戴者，無線通信技術(shù)從技術(shù)成熟度、運行成本角度也都非常適用。從技術(shù)實現(xiàn)和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測器設(shè)計目的的實現(xiàn)。

系統(tǒng)方案設(shè)計

　　需求分析

　　身體姿態(tài)監(jiān)測
　　通過三軸加速度傳感器的測量值，利用相應(yīng)算法計算出佩戴者的身體姿態(tài)。當出現(xiàn)跌倒動作時，能夠觸發(fā)MCU中斷處理。

　　報警控制機制
　　使用者可根據(jù)自己的身體狀況選擇是否報警，當使用者已無法控制自己行為時，本產(chǎn)品應(yīng)能夠保證自動實施報警。

　　計步器
　　在一般佩戴過程中，用戶可使用該項功能，為自己的步行健身活動提供量化的參考信息。

　　空間定位
　　在實施跌倒報警時，應(yīng)為報警信息接受方提供報警地點的空間定位信息，保證有效救助及時到達。

　　無線通訊
　　能夠?qū)缶投ㄎ恍畔⑼ㄟ^無線方式傳輸?shù)较嚓P(guān)人員處。

　　供電采用鋰電池

　　部分信息顯示使用液晶屏

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)跌倒探測器的需求分析，具體的實現(xiàn)方案設(shè)計采用如圖2所示的架構(gòu)。該架構(gòu)基于高性能、低功耗MCU--MC9S08QG8，通過獲取加速度傳感器的采集信息，經(jīng)分析和計算后實現(xiàn)跌倒探測及報警等多項功能。

　　硬件設(shè)計

　　硬件設(shè)計圍繞MCU展開，產(chǎn)品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項任務(wù)處理，是設(shè)計的關(guān)鍵。參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)功能模塊劃分，系統(tǒng)的硬件設(shè)計詳細描述如下：

　　加速度采集電路
　　加速度采集使用MMA7260QT，該芯片輸出為模擬信號，需進行A/D轉(zhuǎn)換后才能進行數(shù)據(jù)處理。MC9S08QG8芯片的PA腳為復用通道，可根據(jù)需要設(shè)置為I/O、鍵盤中斷或A/D采樣通道。本設(shè)計將利用MC9S08QG8芯片內(nèi)部的A/D模塊實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，具體實現(xiàn)中采用PA0、PA1和PA2作為三軸加速度的采集通道，與MMA7260QT的Xout（Pin15）、Yout（Pin14）和Zout（Pin13）相連，A/D采樣的控制時鐘通過軟件配置MC9S08QG8相應(yīng)控制寄存器完成。

　　MCU外圍電路
　　本設(shè)計中，MCU外圍電路包括電源與時鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分構(gòu)成，下面分別描述。

　　電源與時鐘
　　功能組件包括MCU、液晶、按鍵、采集、數(shù)據(jù)存儲和通信幾部分。根據(jù)所選用器件的數(shù)據(jù)手冊，各組件對供電要求如圖3所示。

 
　　從圖中可以看出，整個系統(tǒng)設(shè)計要求電源參數(shù)有三種，分別為3V、3.3V和3.7V。其中，主要數(shù)字電路部分--包括MCU及其外圍電路部分要求提供3.3V的工作電壓；而在無線通信模塊中，針對讀取入網(wǎng)SIM卡部分電路要求3V的供電電壓，CDMA射頻部分工作電壓要求不低于3.5V。

　　在實際設(shè)計中，輸出電壓為3.7V，由于能夠滿足CDMA射頻模塊的工作要求，故直接使用Li電池的輸出供電；聯(lián)通入網(wǎng)SIM卡信息讀取電路的工作電壓為3V，設(shè)計中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換工作；其他數(shù)字電路部分的工作電壓為3.3V，設(shè)計中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參見圖3中虛線框中的內(nèi)容。

　　MC9S08QG8自帶時鐘模塊（ICS），為了降低功耗和簡化設(shè)計，本系統(tǒng)通過軟件設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設(shè)計中不需作過多的考慮。

　　存儲器
　　有效的數(shù)據(jù)緩存要求至少具有320點（合1920字節(jié)）的存儲深度。 在本設(shè)計中，采用Holtek公司的HT24LC16串行EEPROM作為數(shù)據(jù)緩存。該芯片采用I2C通訊接口，存儲深度2K字節(jié)，數(shù)據(jù)讀寫速度在微妙量級，能夠滿足數(shù)據(jù)實時寫入的要求。數(shù)據(jù)寫滿后，MCU自動將地址重置，從首地址開始覆蓋寫入新的數(shù)據(jù)。

　　由于MC9S08QG8內(nèi)部配有I2C控制模塊，故只需將該模塊對應(yīng)管腳與EEPROM連接即可--使用PB6（Pin5）和PB7（Pin6）與EEPROM連接。

　　按鍵電路
　　報警確認、報警取消、計步器啟動、計步器暫停、計數(shù)清零以及無線通信中接受方號碼的設(shè)置，都要求跌倒探測器具有用戶輸入的接口，設(shè)計中采用按鍵實現(xiàn)。按鍵的接法和使用較為簡單，直接利用MCU的輸入輸出管腳即可，本設(shè)計采用Pin1和Pin13。

　　液晶顯示
　　本設(shè)計采用5位7段碼液晶屏，計步器顯示計數(shù)和報警接受方電話號碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認。液晶屏的控制管腳為24個，由于MCU全部管腳座位液晶控制也無法滿足工作需求，故在本設(shè)計中采用Holtek公司的HT1621B液晶驅(qū)動芯片完成從MCU到液晶屏顯示數(shù)據(jù)的管理和驅(qū)動。另外，HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅(qū)動能力，在本設(shè)計中，集成蜂鳴器作為現(xiàn)場報警提示將有助于提高跌倒探測器報警的針對性和準確性，將通過在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實現(xiàn)。

　　HT1621B為I2C接口，MCU可通過內(nèi)部I2C控制模塊傳輸指令和數(shù)據(jù)給該芯片。由于本系統(tǒng)采用的EEPROM也是使用I2C接口，針對不同器件的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令將通過地址選擇加以實現(xiàn)。

　　通信模塊
　　本設(shè)計采用AnyData公司的DTGS-800b型OEM模塊。該模塊符合CDMA：IS-95 A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A、IS-707A以及IS-2000等標準協(xié)議，能夠提供最高153.6K的數(shù)據(jù)通訊速率，工作電壓3.6V~4.4V，外形尺寸為53*33*2.7mm，總重量為15g，提供外部通訊接口包括RS-232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、Ringer External Reset Control、R-UIM、MP3、MIDI、GPIOs和USB。另外該模塊可收發(fā)短信、集成GpsOne技術(shù)，無須添加其他組件即可得到地理定位信息，且廠家技術(shù)支持非常完善，其各項功能配置非常適合跌倒探測器的需求描述。

　　具體實現(xiàn)中，CDMA模塊要求配套入網(wǎng)SIM卡，模塊各項功能可由MCU通過RS232接口以AT命令的方式加以調(diào)用。本設(shè)計中通信模塊的設(shè)計如圖4所示。

 
　　MC9S08QG8的SCI外設(shè)接口經(jīng)TTL-RS232轉(zhuǎn)換后，與DTGS-800b的RS232端口相連，用以向該模塊發(fā)AT命令。由于該模塊要求7信號的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統(tǒng)設(shè)計中采用I/O口進行軟件模擬其他的控制信號：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模塊通過SIM卡讀卡電路與SIM卡相連，內(nèi)部自帶處理器根據(jù)需要讀取SIM卡信息，完成CDMA的入網(wǎng)和通信信息的交換。

　　端口分配
　　由于本設(shè)計采用MC9S08QG8單片機僅能提供最多14個I/O端口，根本無法滿足控制整個系統(tǒng)運行的信號數(shù)量要求，故在進行具體設(shè)計時，對各管腳的使用和分配進行了專門的部署，如圖5所示。

　　程序調(diào)試和燒入需要兩個端口，但完成調(diào)試和燒寫操作后，這兩個端口可以作為標準的I/O使用，故在設(shè)計中將其中一個I/O（Pin1）作為按鍵的輸入，實現(xiàn)了端口的復用。

　　CDMA組件與MCU的通訊要求
　　通過7信號RS232接口，而MC9S08QG8的SCI模塊僅有TXD和RXD兩個信號，在設(shè)計中采用標準I/O通過軟件模擬的方式實現(xiàn)其它所需信號，包括DTR、CTS、RFR。

　　EEPROM和液晶驅(qū)動組件的存取采用I2C接口，本設(shè)計中將使用MC9S08QG8的I2C模塊進行硬件控制，通過地址選擇實現(xiàn)不同組件間的切換。

　　軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計是系統(tǒng)各項功能具體實現(xiàn)的關(guān)鍵。在跌倒探測器的軟件設(shè)計中，由實線系統(tǒng)功能引發(fā)的處理內(nèi)容較多，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機相結(jié)合的設(shè)計方法。