解析基於慣性傳感技術的跌倒報警器?

　　隨著社會老年化的加重，老人獨居現象越來越普遍。不論對於家人，還是對於社會來說，老人健康都是一個急需解決的問題。老人由於身體各個部分的功能都在退化，因而很容易發生跌倒，而跌倒的發生將會對老人的身心造成無法估量的傷害。所以對老人的跌倒進行檢測，研究跌倒報警器具有重要的現實意義。

　　基於上述原因，本文設計了一種可穿戴於腰部的跌倒報警器，跌倒檢測裝置內部有加速度計、陀螺儀和磁力計等慣性傳感元件，可以實現對老人跌倒的檢測，讓發生跌倒的老人可以及時得到醫療救援，降低跌倒對老人造成的傷害。

　　跌倒報警器研究現狀

　　跌倒報警器裝置是以無線對講系統作為基礎條件研發的新型裝置，但就目前跌倒報警器設計情況來說，設計者忽視了老人掌握現代化產品熟練程度。老人由於操作能力與視力逐漸下降，應用現代化設備難度較高。同時，老人在跌倒之後由於身心都受到不同程度驚嚇，無法正確操作跌倒報警器。

　　隨著科學技術水平顯著提升，慣性傳感技術的應用領域也越來越廣泛，尤其是近年來在跌倒檢測領域的應用，大大的降低了跌倒報警器的研發成本。慣性傳感技術在跌倒檢測應用中主要承擔兩方面工作，一方面是對老人日常行為進行實時監測，另一方面是利用相關姿態解算算法分析判斷跌倒行為的發生。

　　工作原理

　　老人由於身體機能的衰退，容易失去平衡而發生跌倒。在老人身體跌倒的那一瞬間，老人的身體產生了向下的重力加速度，身體各個部位的加速度也會發生不同程度的變化。為了能夠方便對人體跌倒時各種變量的描述，必須建立空間坐標系。

　　假設，以人體作為原點，將人體前後方向看成X軸，左右方向看成Y軸，人上下方向看成Z軸。人在實際運動過程中，所產生的加速度是由於人體運動姿態瞬間發生變化而產生的。在老人跌倒的過程中，慣性傳感元件將會檢測到加速度值和身體傾斜角值，通過分析加速度和角度的變化情況可以判斷出人體發生跌倒。

　　慣性傳感技術主要作用就是通過對老人生活行為進行實時監測，分析判斷出跌倒行為的發生。圖1是跌倒報警器系統的原理圖，MPU6050六軸傳感器模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計，通過I2C接口連接STM32，根據傳感器不同的地址信息分別讀取MPU6050的角速度值和加速度值，然後利用四元數算法和姿態控制算法分析老人身體姿態和運動狀態。

　　硬體設計

　　跌倒報警器由五部分構成：單片機、通信模塊、檢測單元、發射模塊、家庭電話。中心數據處理模塊主要由兩部分構成，分別為單片機與通信模塊。通過完成對傳感器信號的整合處理操作，實現跌倒判斷。

　　單片機最小系統

　　在對單片系統硬體電路設計上，主要由四部分構成，分別為時鐘電路、電源電路、復位電路與BDM接口。不同子系統所具有的功能分別為：

　　1.時鐘電路在應用中，可以為單片機提供晶振;

　　2.電源電路所提供的電源電壓為5 V，可以為單片機運行提供穩定電壓保證;

　　3.復位電路在系統電壓恢復到正常情況下，向單片機發出復位信號;

　　4.BDM接口可以為用戶提供專門接口，進而實現下載與調試等操作。

　　無線通信模塊

　　通信模塊電路主要承擔數據信息發送與接收任務，同時還可以與讀卡器、連接器相連接。通信模塊電路所產生的數據在單片機操作指令作用之下，可以實現數據信息雙向傳輸，讀取PDU與Text格式信息。本文應用的無線通信模塊晶片型號為PSoC27443，進而實現跌倒報警器無線通信功能。無線通信模塊電路設計如圖3所示。無線通信模塊採取編程排列方式，一旦其中一個元器件出現破損情況，可以隨時對其進行更替。

　　陀螺儀和加速度計

　　陀螺儀通常被用來檢測物體旋轉的角速度值。本文在設計跌倒報警器度過程中一共運用了兩個陀螺儀，分別用來檢測老人前後站立角度與側向站立角度。加速度計被用來檢測物體由地球引力作用所產生的加速度值。

　　本文選用了MPU6050慣性傳感器，該型號的傳感器具有體積相對較小、質量輕等優點。圖4為加速度計與陀螺儀兩者結構結合示意圖，為了能夠排除老人假摔，降低了對老人跌倒的誤判，傳感器內的卡爾曼係數採取可調節形式。

　　軟體設計

　　主要程序

　　跌倒報警器系統軟體部分一共由三部分構成，分別為傳感模塊、控制模塊與報警模塊。首先，跌倒報警器需要初始化設置，初始化設置完畢之後，再檢測是否有發送短消息，如果有，則根據跌倒報警器的指示執行相應的操作;如果沒有，則檢測傳感信號，若有傳感信號，則根據指示做進一步的處理;如果沒有，則檢測是否有傳感器信號，若有，則根據信號進行相應地操作;如果沒有，則返回初始狀態，進行下一次檢測，如此循環往復。主程序流程如圖5所示。

　　簡訊息編碼解析

　　目前，短消息模式主要有Text模式和協議數據單元PDU(protocol data unit)模式。使用Text模式收發簡訊代碼簡單，實現起來比較容易，但缺點是不能收發中文簡訊; 而PDU模式不僅支持英文簡訊，也能發送中文簡訊。PDU模式收發簡訊可以使用3種編碼方式：

　　7 bit編碼用於發送普通的ASCII字符;

　　8 bit 編碼通常用於發送數據消息;

　　UCS2編碼用於發送16位Unicode字符。

　　為了支持中文簡訊的收發，本系統採用PDU編碼模式。最終設計的基於慣性傳感技術的跌倒報警器如圖6和圖7所示。

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