三軸加速度傳感器在跌倒檢測中的應用

　　前言

 

　　人們在跌倒後會面臨雙重危險。顯而易見的是跌倒本身可能對人體產生傷害；另外，如果跌倒後不能得到及時的救助，可能會使結果更加惡化。例如，許多老年人由於其身體比較虛弱，自理能力和自我保護能力下降，常常會發生意外跌倒，如果得不到及時的救助，這種跌倒可能會導致非常嚴重的後果。有資料顯示，很多嚴重的後果並不是由於跌倒直接造成的，而是由於跌倒後，未得到及時的處理和救護。當出現跌倒情況時，如果能夠及時地通知到救助人員，將會大大地減輕由於跌倒而造成的危害。

　　不僅是對老人，在很多其他情況下，跌倒的報警也是非常有幫助的，尤其是從比較高的地方跌倒下來的時候。比如人們在登山，建築，擦窗戶，刷油漆和修理屋頂的時候。

　　這促使人們越來越熱衷於對跌倒檢測以及跌倒預報儀器的研製。近年來，隨著iMEMS？加速度傳感器技術的發展，使得設計基於三軸加速度傳感器的跌倒檢測器成為可能。這種跌倒檢測器的基本原理是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的加速度變化來感知其身體姿態的變化，並通過算法分析判斷該個體是否發生跌倒情況。當個體發生跌倒時，儀器能夠配合GPS模塊以及無線發送模塊對這一情況進行定位及報警，以便獲得相應的救助。而跌倒檢測器的核心部分就是判斷跌倒情況是否發生的檢測原理及算法。

　　ADXL3451是ADI公司的一款3軸、數字輸出的加速度傳感器。本文將在研究跌倒檢測原理的基礎上，提出一種基於ADXL345的新型跌倒檢測解決方案。

 

　　iMEMS加速度傳感器ADXL345

 

　　iMEMS 半導體技術把微型機械結構與電子電路集成在同一顆晶片上。iMEMS加速度傳感器就是利用這種技術，實現對單軸、雙軸甚至三軸加速度進行測量並產生模擬或數字輸出的傳感器。根據不同的應用，加速度傳感器的測量範圍從幾g到幾十g不等。數字輸出的加速度傳感器還會集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶提供更加方便靈活的解決方案。

　　ADXL345是ADI公司最近推出的基於iMEMS技術的3軸、數字輸出加速度傳感器。ADXL345具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可變的測量範圍；最高13bit解析度；固定的4mg/LSB靈敏度；3mm*5mm*1mm超小封裝；40-145uA超低功耗；標準的I2C或SPI數字接口；32級FIFO存儲；以及內部多種運動狀態檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助於大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用於跌倒檢測器應用的加速度傳感器。

　　本文給出的跌倒檢測解決方案，完全基於ADXL345內部的運動狀態檢測功能和中斷功能，甚至不需要對加速度的具體數值進行實時讀取和複雜的計算操作，可以使算法的複雜度降至最低。

 

　　中斷系統

 

　　圖1給出了ADXL345的系統框圖及管腳定義。

 

　　

　　圖1 ADXL345系統框圖及管腳定義

 

　　ADXL345具有兩個可編程的中斷管腳：Int1和Int2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共計8個中斷源。每個中斷源可以獨立地使能或禁用，還可以靈活地選擇是否映射到Int1或Int2中斷管腳。所有的功能都可以同時使用，只是某些功能可能需要共用中斷管腳。中斷功能通過INT_ENABLE寄存器的相應位來選擇使能或禁用，通過INT_MAP寄存器的相應位來選擇映射到Int1管腳或Int2管腳。中斷功能的具體定義如下：

　　1. Data_Ready 當有新的數據產生時，Data_Ready中斷置位；當沒有新的數據時，Data_Ready中斷清除。

　　2. Single_Tap 當加速度值超過一定門限（THRESH_TAP）並且持續時間小於一定時間範圍（DUR）的時候，Single_Tap中斷置位。

　　3. Double_Tap 當第一次Single_Tap事件發生後，在一定時間（LATENT）之後，並在一定時間（WINDOW）之內，又發生第二次Single_Tap事件時，Double _Tap中斷置位。

　　圖2給出了有效的Single_Tap中斷和Double _Tap中斷的示意圖。

 

　　

　　圖2 Single_Tap和Double _Tap中斷示意

 

　　4. Activity 當加速度值超過一定門限（THRESH_ACT）時，Activity中斷置位。

　　5. Inactivity 當加速度值低於一定門限（THRESH_INACT）並且持續超過一定時間（TIME_INACT）時，Inactivity中斷置位。TIME_INACT可以設定的最長時間為255s。

　　需要指出的是，對於Activity和Inactivity中斷，用戶可以針對X、Y、Z軸來分別進行使能或禁用。比如，可以只使能X軸的Activity中斷，而禁用Y軸和Z軸的Activity中斷。

　　另外，對於Activity和Inactivity中斷，用戶還可以自由選擇DC coupled工作方式或者AC coupled工作方式。其區別在於，DC coupled工作方式下，每個採樣點的加速度值將直接與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進行比較，來判斷是否發生中斷；而AC coupled工作方式下，新的採樣點將以之前的某個採樣點為參考，用兩個採樣點的差值與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進行比較，來判斷是否發生中斷。AC coupled工作方式下的Activity檢測，是選擇檢測開始時的那一個採樣點作為參考，以後每個採樣點的加速度值都與參考點進行比較。如果它們的差值超過門限（THRESH_ACT），則Activity中斷置位。AC coupled工作方式下的Inctivity檢測，同樣要選擇一個參考點。如果新採樣點與參考點的加速度差值超過門限（THRESH_INACT），參考點會被該採樣點更新。如果新採樣點與參考點的加速度差值小於門限（THRESH_INACT），並且持續超過一定時間（TIME_INACT），則Inctivity置位。

　　6. Free_Fall 當加速度值低於一定門限（THRESH_FF）並且持續超過一定時間（TIME_FF）時，Free_Fall中斷置位。與Inactivity中斷的區別在於，Free_Fall中斷主要用於對自由落體運動的檢測。因此， X、Y、Z軸總是同時被使能或禁用；其時間設定也比Inactivity中斷中要小很多，TIME_FF可以設定的最大值為1.28s；而且Free_Fall中斷只能是DC coupled工作方式。

　　7. Watermark 當FIFO裡所存的採樣點超過一定點數（SAMPLES）時，Watermark中斷置位。當FIFO裡的採樣點被讀取，使得其中保存的採樣點數小於該數值（SAMPLES）時，Watermark中斷自動清除。

　　需要指出的是，ADXL345的FIFO最多可以存儲32個採樣點（X、Y、Z三軸數值），且具有Bypass模式、普通FIFO模式、Stream模式和Trigger模式，一共4種工作模式。FIFO功能也是ADXL345的一個重要且十分有用的功能。但是本文後面給出的解決方案中，並沒有使用到FIFO功能，所以，在此不做詳細介紹。

　　8. Overrun 當有新採樣點更新了未被讀取得前次採樣點時，Overrun中斷置位。 Overrun功能與FIFO的工作模式有關，當FIFO工作在Bypass模式下，如果有新採樣點更新了DATAX、DATAY和DATAZ寄存器裡的數值，則Overrun中斷置位。當FIFO工作在其他三種模式下，只有FIFO被存滿32點時，Overrun中斷才會置位。FIFO裡的採樣點被讀取後，Overrun中斷自動清除。