引言

隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程的加速，到2050年，我國65歲以上老人數(shù)量將達(dá)到4億，占中國人口總量的30%，而跌倒是造成老年人意外傷害的主要原因之一。隨著年齡的增長，老年人的身體既能下降，反應(yīng)變慢，因跌倒導(dǎo)致的死亡率和受傷率急劇增加。所以在不影響老人日常活動(dòng)的前提下，研發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)老人是否跌倒并及時(shí)報(bào)警，保護(hù)老人安全的跌倒監(jiān)測(cè)裝備具有重大意義。

目前，跌倒檢測(cè)的方法有很多，從信息采集的渠道分類，可以分為以下三種：

（1）基于視頻的跌倒檢測(cè)方法通過在房間內(nèi)安置1個(gè)或多個(gè)攝像頭來捕捉人體運(yùn)動(dòng)畫面，經(jīng)過圖像處理，判定老人是否跌倒。其不足之之處是只能在安裝了攝像頭的地方使用，且可能對(duì)檢測(cè)者造成隱私泄漏。

（2）基于聲學(xué)的跌倒檢測(cè)方法通過分析跌倒時(shí)老人觸地的音頻變化來檢測(cè)。其不足之之處是精度不高，一般作為其他檢測(cè)方法的輔助檢測(cè)。

（3）基于多傳感器的可穿戴式跌倒檢測(cè)方法設(shè)計(jì)一種運(yùn)動(dòng)微型傳感器的可穿戴設(shè)備。該檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)明顯，不受空間的限制，可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)人體活動(dòng)，比基于視頻和基于聲學(xué)的檢測(cè)方法更適用于跌倒檢測(cè)。

本文提出了一種基于MPU6050的老年人跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先利用傳感器MPU6050內(nèi)部集成的三軸加速度、陀螺儀組件和STM32處理器結(jié)合來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，再運(yùn)用跌倒檢測(cè)算法識(shí)別跌倒事件。與此同時(shí)，采用基于android智能手機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)，利用藍(lán)牙4.0技術(shù)，將跌倒信息傳輸?shù)?a href="http://www.asorrir.com/v/" target="_blank">智能手機(jī)上，手機(jī)進(jìn)行語音報(bào)警并將GPS信息通過短信形式通知家人和醫(yī)院，保證老人跌倒后能夠得到及時(shí)救助。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和分析模塊及手機(jī)定位報(bào)警模塊兩部分組成：第一部分包括傳感器MPU6050、主處理器STM32F103C8T6和HC-08藍(lán)牙4.0模塊，這模塊安裝在老人的腰部；第二部分由android智能手機(jī)構(gòu)成，手機(jī)和藍(lán)牙匹配后，手機(jī)啟動(dòng)GPS定位，通過短信將跌倒信息通知給家人和醫(yī)院緊急救護(hù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1、主控制器

主控制器是高性能的ARMCortexTM-M332位的RISC內(nèi)核單片機(jī)STM32F103C8T6，其工作頻率可高達(dá)72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（20KBSRAM、64KBFLASH），工作電壓范圍在2~3.6V。

1.2、新型MEMS傳感器——MPU6050

MPU6050是整合了加速度和陀螺儀的傳感器，它和STM32單片機(jī)之間的通信采用400KHZ的IIC接口，其供電電壓范圍為5V。將STM32的引腳（SDA）和PB7（SCL）分別和MPU6050的24號(hào)引腳（SDA）和23號(hào)引腳（SCL）相連接，可實(shí)現(xiàn)傳感器和微處理器通信。

圖2 ?MPU6050接線圖

1.3、藍(lán)牙4.0模塊——CC2540

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用的是藍(lán)牙4.0技術(shù)，它將傳統(tǒng)藍(lán)牙，高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙三種規(guī)范結(jié)合在一起，其中藍(lán)牙4.0技術(shù)最大的特點(diǎn)是運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗特別低，一顆CR2025電池可以供BLE4.0設(shè)備使用1年之久。本系統(tǒng)采用德州儀器CC25402.4GHz功率藍(lán)牙系統(tǒng)單晶片，內(nèi)部嵌入了一顆增強(qiáng)的8051內(nèi)核，32MHz的運(yùn)行速率，8KB的RAM以及高達(dá)256KB的FLASH，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能。

2、跌倒檢測(cè)算法

2.1、算法設(shè)計(jì)

跌倒是指突發(fā)、不自主的、非故意的體位改變，倒在地上或更低的平面上。人體在跌倒瞬間，身體的加速度和角度在水平和垂直方向都會(huì)發(fā)生巨大的變化。人體的日常生活活動(dòng)有很多種，為簡化問題，我們主要考慮以下幾種形式：①走路、②起立坐下、③跑、④上下樓梯、⑤原地跳、⑥彎腰，這些也最容易和跌倒行為混淆。本文研究如何有效地將人體跌到行為與日常活動(dòng)區(qū)分開來。

跌倒裝置的安裝位置也很重要，它影響整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)驗(yàn)顯示本裝置配戴在腰部最合適，因?yàn)檠炕顒?dòng)范圍和頻率比較小，而手部和上肢活動(dòng)范圍較大，且腰部舒適度比較好，方便檢測(cè)。同時(shí)在該系統(tǒng)中，人體的三維空間姿態(tài)如圖3所示，向右為X軸，向上為Z軸，垂直與紙面向外為Y軸。

圖3 ?人體三維空間姿態(tài)

設(shè)X軸方向的加速度為ax，Y軸方向的加速度為ay，Z軸方向的加速度為az，則合加速度為a=ax+ay+az，為：

SVM表示人體加速度向量幅值，是區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)，SVM越小，人體運(yùn)動(dòng)越平緩，SVM越大，人體運(yùn)動(dòng)越激。當(dāng)人體跌倒時(shí)，人體和地面接觸有一個(gè)撞擊階段，此時(shí)加速度會(huì)達(dá)到峰值，比一般的行為更加明顯，因此可以用閾值法來判斷跌倒的發(fā)生。

從圖5向后跌倒三軸合加速度曲線可以看出，老人跌倒在撞擊地面階段合加速度值達(dá)到峰值3g并在跌倒后合加速度值又迅速回落到1g。較之于圖5日常行為的合加速度曲線發(fā)現(xiàn)：坐下起立、走路、上下樓梯、彎腰的合加速度最大不超過2g；跑步和原地跳的合加速度比較大，最高接近3g。

圖5 ?向后跌倒合加速度曲線

為了設(shè)定閾值的大小來區(qū)分跌倒和ADL行為，設(shè)置判定閾值TH1為2.5g，這樣大部分ADL行為都可以分辨出來，所以當(dāng)SVM》TH1時(shí)，可以設(shè)定為疑似跌倒。然而跑步和跳的運(yùn)動(dòng)幅度較大，其合加速度幅值和跌倒的合加速度相似，兩者容易混淆。故采用單一的和加速度閾值判斷具有單一性。為提高檢測(cè)精度，降低誤判率，引入陀螺儀的角度參數(shù)作為二次判斷。

理論上，當(dāng)人跌倒經(jīng)過一段時(shí)間后，人體會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)人體和地面應(yīng)處于水平狀態(tài)，Z軸加速度為0。同時(shí)當(dāng)人體向前或向后跌倒后，人體X軸角度應(yīng)在-90o和90o附近；當(dāng)人體向左或向右跌倒后，人體Y軸角度應(yīng)在-90o和90o附近浮動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)，我們選取±70o作為第二個(gè)判定條件閾值。從圖7和圖8可以看出雖然人體正常姿態(tài)有時(shí)能在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到閾值，但是肯定不能持續(xù)維持這個(gè)值。所以我們選取要求3s內(nèi)都保持這個(gè)值，這樣就可以短時(shí)間內(nèi)判斷跌倒情況且不耽誤營救。

圖7 ?跑步的三軸角度曲線圖

圖8 ?跌倒后靜止?fàn)顟B(tài)下的三軸角度

2.2、算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過IIC形式將數(shù)據(jù)從MPU6050傳送到STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行跌倒算法運(yùn)算和判斷。整個(gè)的實(shí)現(xiàn)過程可分為以下三個(gè)部分：

（1）檢測(cè)當(dāng)前和加速度SVM是否大于閾值2.5g，若小于2.5g，則返回繼續(xù)采樣測(cè)量；若大于2.5g，則認(rèn)為疑似跌倒。

（2）若檢測(cè)到疑似跌倒，延時(shí)3s，進(jìn)入二次判斷，檢測(cè)人體角度是否在閾值范圍內(nèi)。若在這個(gè)范圍

內(nèi)，同時(shí)要求3s內(nèi)保持這個(gè)范圍。

（3）如果系統(tǒng)檢測(cè)到人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件，此時(shí)蜂鳴器鳴叫，提醒老人和老人身邊行人。接著延時(shí)等待30s，如果30s內(nèi)用戶沒有按鍵取消報(bào)警，則認(rèn)為老人跌倒。此時(shí)將報(bào)警信號(hào)通過藍(lán)牙4.0設(shè)備傳送給手機(jī)，手機(jī)進(jìn)行語音報(bào)警，并打開GPS定位，打電話和發(fā)消息通知醫(yī)院和家人。

具體跌倒算法實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 ?跌倒算法實(shí)現(xiàn)流程圖

3、實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)和算法的有效性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為跌倒和日常生活動(dòng)作兩種，其中包括原地起跳、起立坐下、走路、跑、上下樓梯和前后左右四個(gè)方向跌倒。考慮到老年人的身體，不適合做劇烈運(yùn)動(dòng)和跌倒測(cè)試，實(shí)驗(yàn)選取10名20~30歲不同身高、體重、性別的年輕人來模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為了模仿老年人行動(dòng)遲緩的特點(diǎn)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)者左右小腿各捆綁1kg沙袋，以達(dá)到減慢行走速度的效果。當(dāng)合加速度的閾值為3.5g，X軸或Y軸角度的閾值為70o時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，跌倒事件都能被準(zhǔn)確識(shí)別并報(bào)警。

表1 ?跌倒事件檢測(cè)成功率

表2日常活動(dòng)事件檢測(cè)誤判率

4、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種可穿戴式跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為主處理器，接收來自MPU6050傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷，并提出一種有效的檢測(cè)算法。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了有效的檢測(cè)報(bào)警裝置，藍(lán)牙4.0模塊向匹配的安卓手機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，手機(jī)打開GPS，將跌倒地理信息通過短信形式向預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)碼和醫(yī)院急救系統(tǒng)發(fā)送短信報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該設(shè)備穿戴方便，對(duì)于跌倒事件的判斷具有較高的準(zhǔn)確性，能第一時(shí)間報(bào)警使老人能夠得到及時(shí)救治。