CN101702258B - 一种人体摔倒自动检测报警系统的信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体摔倒自动检测报警系统的信息处理方法，该系统由可佩戴式检测装置和基站组成；所述可佩戴式检测装置包括由三轴加速度传感器、两轴角速度传感器、A/D、信息处理装置和无线信号发射装置；所述基站包括信号接收装置和报警装置。可佩戴式检测装置佩戴于人体上躯干部位，采集相关的人体运动学及动力学信息，并对信息进行融合处理，判断人体活动是否有摔倒行为发生；如果穿戴者摔倒并且需要救助，则将摔倒信息发送给基站。基站接收到无线信号之后，向有关部门或相关人员发送求救信息。本发明具有高检出率，低误判率的特点，可为判别人体摔倒提供依据，以便为老年人、病人、危险作业人员等在摔倒后及时提供救援。

Description

一种人体摔倒自动检测报警系统的信息处理方法

技术领域：

本发明涉及人体运动行为、状态等的监控和识别的检测报警系统及其信息处理方法，具体涉及人体摔倒自动检测报警系统的信息处理方法。

背景技术：

根据世界疾病控制与预防组织统计，世界上超过65岁的老人，每年有三分之一会摔倒，其中有一半为再发性摔倒、一次性摔倒中近10％会引起严重伤害或疾病；造成巨大的医疗负担和健康伤害。例如：美国每年因为摔倒直接引起的疾病占医药总开支的6％；2002年共花费190亿美元，摔倒老人中有15-20％因摔倒直接或间接引起的疾病在一年内过世；我国上海市在2008年11月公布的一项全市意外伤害及死亡原因调查分析数据显示：位列第四的意外伤害中老年人摔倒占了一半左右。而目前中国社会60岁以上老人所占的人口比例已经超过10％，已经真正成为人口老龄化国家；据专家预测在本世界中叶将超过30％。

面对如此庞大的老年人口数量，减小老年人以及病人摔倒带来的伤害问题已成为国际上新的研究热点。医学研究标明：减小老年人摔倒时给身体带来的冲击可以有效减轻摔倒事故带来的伤害；而对于已经摔倒的老人，救助等待时间的长短直接决定了患病的程度。本发明成果能够及早检测出人体摔倒并向有关部门或相关人员报警，故可以在一定程度上减少由于老年人及病人因摔倒带来的伤害以及医疗开支；减少医疗保障系统和老年人家属的医护负担；尤其对于独居老人，具有较为重要的应用价值。

目前国内外已有一些类似的检测装置，但是由于传感信号不够完备、信息处理方法等没有充分考虑到人体运动行为特点等原因，使得误判率较高，尤其是与跑、跳、蹲下、起立、坐下、躺下等动作难以区分。例如，专利200320100468.5，200620075599.6，200620003000.8，200620070055.6使用传感器来判断身体倾斜程度来判断人体位姿是否已经从直立变为水平，不利于区分弯腰、躺下等行为。专利200320100468.5，将垂直状态传感器放于手机的底部，同样只采用倾斜检测，而且大大限制了手机的放置位置，不方便使用。专利200720125141.1采用了一个三轴加速度传感器来检测人体加速度和倾斜角，在身体倾斜超过40度角的时候报警，或者在加速度大于1.5g的时候报警；这种方法虽然检出率比较高，但是误判率也较高，无法将摔倒与跑跳、弯腰等动作区分。日本专利JP 2008-535055A的设计思路与200720125141.1类似。专利200720097622.6主要解决了使用者定位问题，而并没有对摔倒检测方法进行改进。

发明内容：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的，是提供一种人体摔倒自动检测报警系统的信息处理方法，它可以通过自动检测人体上躯干部位的加速度信息及位姿信息，综合人体加速度、位姿、运动时间三者之间的关系，正确判断人体是否摔倒以及是否需要求救，同时具备用户自主发射急救信号以及取消急救的功能。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的系统分为两部分：

1)可佩戴式检测装置：包括相互电联接的A/D转换器、信息处理装置和无线信号发射装置。所述信息处理装置的输入端经A/D转换器分别与加速度感器和角速度传感器电联接。所述加速度传感器为三轴向加速度传感器，所述角速度传感器为两轴角速度传感器。所述信息处理装置还与急救开关电联接。可佩戴式检测装置佩戴于人体上躯干部位(颈部以下、腰部以上的躯干部位)。其中三轴加速度传感器和两轴角速度传感器用来同步采集人体运动的加速度信号和角速度信号。信息处理装置将经A/D转换后的数字信号进行融合处理，综合考虑人体运动的加速度信息和位姿信息判断摔倒行为是否发生，当确认摔倒发生后，判断使用者是否有能力自行恢复，如果没有，则产生急救信号，并由无线信号发射装置发出。急救开关与信息处理装置相连，具有人为触发急救信号以及消除报警信号的功能。本部分装置视不同场合及人员的需要还可以安装某些定位装置。

2)基站：包括无线信号接收装置以及报警装置，安置位置视需要而定。例如：可以放在老年人或病人家里，也可以放在某些公共服务地点，比如医院、急救处等，还可以安置在矿井或火灾现场的安全监控地点等。无线信号接收装置接收可佩戴式检测装置发射来的急救信号，报警装置将急救信号发送给有关部门或者相关人员。

对本发明的有关器件和信息处理分述如下：

1、加速度传感器、角速度传感器的配置：

取人体正常直立时的位置为初始位置，人体上躯干坐标系Oxyz随人体运动而变化，与人体上躯干保持相对位置不变。加速度传感器检测人体上躯干部位的前后(x轴)、左右(y轴)、上下(z轴)方向的加速度a_x、a_y、a_z；角速度传感器检测绕x轴(侧倾)和绕y轴(俯仰)的角速度ω_x、ω_y，由于绕z轴的转动属于身体自旋，与判断人体摔倒关系较小，为了减少冗余，故不予以考虑。加速度传感器与角速度传感器按同一时钟同步采集信息。

2、信息处理方法

加速度传感器与角速度传感器采集的信息经A/D转换后进入信息微处理装置，实时进行摔倒行为的判断。本发明为减小误判率，区别摔倒动作与其它动作，综合考虑在一定时间间隔Δt内的以下两个因素：位姿条件：人体上躯干部位从竖直状态的初始位置开始向水平方向倾斜，并且已经达到一定的倾斜角；加速度条件：人体躯干部位以在竖直方向以接近重力加速度g的加速度向地面方向运动。其方法为：第一步，信息处理装置将角速度积分，对绕x轴转动的角速度ω_x进行积分计算出人体上躯干的侧倾角θ_y，对绕y轴转动的角速度ω_y进行积分计算出俯仰角θ_x；然后便可计算出人体上躯干运动时在竖直方向的加速度：a_v＝a_z cosθ_x cosθ_y+a_y sinθ_y-a_x sinθ_x cosθ_y；第二步，如果侧倾角或俯仰角较大，已经达到危险范围θ_L，则记录此时的时刻t_θ；如果竖直方向的加速度接近重力加速度g附近的范围g_Z，则记录此时的时刻t_a；第三步，如果t_θ与t_a的时间差小于设定的时间阀值Δt，则判断摔倒行为已经发生，否则返回第一步继续判断。

当人体摔倒后，对是否需要自动报警进行判断：当在一段时间ΔS内，如果人体各方向的加速度均不超过一个小范围标准S，则证明人体已经失去求救的行动能力或者失去意识，这个时候触发急救信息；否则不需要发送急救信号。

同时，在任何时刻，使用者都可以通过急救开关来自主触发急救信号或者取消当前急救事件。使得使用者可以随时在不舒服的情况下求救；在摔倒后较长时间自行恢复后也可以取消外界的急救，避免盲目急救造成的损失。

3、信号发送与接收装置

本部分可视不同需求采取不同的配套装置，例如：普通无线传输设备、GSM、CDMA等等。也可以按照需要绑定定位系统，例如GPRS等。

4、器件选型

使用的加速度计参数要求：工作频率不低于100Hz，并且要有足够的抗振、抗冲击性；量程在±6-10g(g为地球表面重力加速度)之间比较合适一般人以及老年人、病人；如果用于警务人员、消防人员、军人等运动比较剧烈的人员，量程可以视工作需要增大，例如±15g，±18g。本发明中可以采用三轴加速度传感器，也可以采用双轴加速度传感器与单轴加速度传感器的组合、以及三个单轴加速度传感器的组合。可以采用Freescale的MMA7260Q、MMA7260QT、MMA7331L、MMA7341L、MMA7361L、MMA6271QT、MMA6280QT、MMA7261QT、MMA6281QT、MMA7330L、MMA7340L、MMA7360L、删A7455L、MMA7456L；BOSCH的SMB365；AD的ADXL320、ADXL321；VTI的SCA3000-E04等。

使用的角速度传感器参数要求：工作频率不低于100Hz，并且要有足够的抗振、抗冲击性；量程在±180-360度/秒之间比较合适一般人日常运动以及老年人、病人；如果用于警务人员、消防人员、军人等运动比较剧烈的人员，量程可以视工作需要增大，例如±500度/秒。本发明中可以采用三轴角速度传感器，也可以采用双轴角速度传感器，或者两个单轴角速度传感器的组合。可采用AD的ADXRS150、ADXRS300、ADXRS610、ADXRS612、ADXRS613、ADXRS622、ADIS16100、ADIS16120、ADIS16130、ADIS16250、ADIS16255、ADIS16300、ADIS16350、ADIS16354、ADIS16355、ADIS16360、ADIS16364、ADIS16365、ADIS16405；InvenSence的IDG300、IDG500；Melexis的MLX90609EEA-E2、MLX90609EEA-R2；ST的LISY300AL；等。

信息处理装置中微处理器的种类可以有多种选择，可采用微处理器MCU、可编程控制器PLC、数字信号处理器DSP，但是必须满足以上加速度传感器及角速度传感器的工作参数要求。可以采用ATMEL的AT91SAM7系列、AT91SAM9系列、AVR ATMAGE系列；Nxp的LPC21xx系列、LPC22xx系列；ST的STR7xx系列、STR9xx系列、STM32系列；Laminary的Lm35系列；Silicon的C8051F系列；Freescale的MC68HC系列；TI的MP430系列、TMS320V5xx系列；等。

本发明装置针对人体运动行为设计，能够及早检测出人体摔倒并向有关部门或相关人员报警，故可以在一定程度上减少由于老年人及病人因摔倒带来的伤害以及医疗开支；减少医疗保障系统和老年人家属的医护负担；尤其对于独居老人，具有较为重要的应用价值。

本发明的有益效果：本发明装置系统可以区分跑、走、坐立、蹲下、躺下等行为与摔倒行为；具有高检出率，低误判率的特点；并且，自动报警装置可在判断人体行动能力后决定是否需要求救，可以很大程度上避免盲目报警带来的损失。本发明可以用于老年人及病人的摔倒行为检测，同时也可以用于矿井工人、消防员等危险作业人员的安全报警需要。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2是人体坐标系选取、加速度传感器和角速度传感器配置位置及检测方向示意图；

图3是摔倒行为检测方法示意框图；

图4是判断是否需要发送急救报警信号的方法示意框图；

图5是实施电路连接示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的人体摔倒自动检测报警系统由可佩戴式检测装置9和基站10组成；可佩戴式检测装置9包括相互电联接的A/D转换器3、信息处理装置4和无线信号发射装置6；基站10包括无线接收装置7和报警装置8；信息处理装置4的输入端经A/D转换器3分别与加速度传感器1和角速度传感器2电联接。加速度传感器1为三轴向加速度传感器，工作频率为100-200Hz，量程为±6-10g，也可以采用双轴加速度传感器与单轴加速度传感器的组合、以及三个单轴加速度传感器的组合。角速度传感器2为两轴角速度传感器，工作频率为100-200Hz，量程为±180-360度/秒，也可以采用三轴角速度传感器，或者两个单轴角速度传感器的组合。信息处理装置4还与急救开关5电联接。

参见图2，地面参考坐标系为OXYZ，Z轴垂直于地面，人体上躯干坐标系Oxyz跟随躯干运动，与人体上躯干保持相对位置不变；在人体正常直立时，Oxyz与OXYZ为平行的笛卡尔坐标系，且x轴指向人体的正前方，y轴指向人体的正左方，z轴垂直于地面指向上方。当人体运动系统工作时，坐标系Oxyz的原点O为可佩带式装置的佩带点，初始工作态为人体正常直立时。某时刻t，三轴加速度传感器检测x轴方向的加速度为a_x(t)，y轴方向的加速度为a_y(t)，z轴方向的加速度为a_z(t)；两轴角速度传感器检测绕x轴转动的角速度ω_x(t)和绕y轴转动的角速度ω_y(t)，方向如图；因绕z轴的转动信息，属于身体自旋，与人体摔倒检测关联较小，为减少冗余，故予以不考虑。

a_x(t)、a_y(t)、a_x(t)、ω_x(t)、ω_y(t)信号经过A/D转换器件进行数字化处理后进入信息处理装置。

参见图3，本发明采用如下方法判断人体是否摔倒，流程步骤如下：

在步骤S401中系统初始化，工作开始；

在步骤S402中将角速度进行积分累加计算上躯干部位的俯仰角及侧倾角；将从初始时刻到当前时刻t的ω_x进行积分累加计算出人体上躯干的当前的侧倾角θ_y(t)，同理将ω_y进行积分累加计算出俯仰角θ_x(t)；

在步骤S403、S404中，计算人体运动在竖直方向运动的加速度a_v，近似算法为：a_v＝a_z cosθ_x cosθ_y+a_y sinθ_y-a_x sinθ_x cosθ_y。为计算方便，可采用对对采样数计数的方法来计时；

在步骤S405中，判断a_V是否接近重力加速度g、并且方向竖直向下。此时可设置区域(1±b％)g内的a_V值均为接近重力加速度g的区域，其中b定为值域的宽度范围。设这个区域为g_Z，若已经判定当前时刻的a_V在g_Z范围内，则记录当前时刻为t_a；否则继续观测下一个采样时刻的a_V值；

在步骤S406中，判断身体位姿是否已经到了或者临近摔倒的危险状态。当某时刻侧倾角θ_y的绝对值超过45度时、俯仰角θ_x向前弯曲90度或向后仰30度时，身体处于接近或者已经摔倒的危险区域。故此处设置危险区域的阀值区域：θ_L＝{|θ_y|≥45°，或者θ_x≥90°，或者θ_x≤-30°}。若所得侧倾角或俯仰角处于以上阀值区域内，则判定满足摔倒的位姿条件，记录当前时刻为t_θ；否则继续判断下一个采样时刻的θ_x及θ_y；

在步骤S407中，如果t_a与t_θ之间的时间差大于Δt，则继续返回步骤S402；否则判定装置佩戴者摔倒，即步骤S408。

注：以上设置的阀值：宽度b、时间间隔Δt、θ_L内的角度大小，如果其中任何一项越大，那么摔倒的检出率越高，同时误判率也越大；反之，越小，那么检出率越低、误判率也会减小。按照这个规律，使用者可以根据不同的应用场合和应用对象来调节他们的大小。

参照图4，检测到人体摔倒后，系统开始判断是否需要报警急救。如果人体摔倒后失去行动能力或者失去意识，那么需要向有关部门或人员报警求救；如果摔倒后，人可以自己站立、解决安全问题，则不必要报警。判断方法步骤流程为：

在步骤S409中，当检测出人体摔倒时开始计时t＝0，

在步骤S410、S412中，对采集的加速度值进行比较，如果在时间ΔS内，均出现a_x且a_y且a_z＜S的结果，则表示装置佩带者已经失去活动能力或者失去意识、或者出于其它原因无法自主活动，需要求救，此时执行步骤S413自动向基站发射报警信号；否则，进入步骤S411，则表示佩带者可以自行解决问题，无须装置自动报警。

本发明的实验研究设置的标准是S＝±0.25g～0.5g的数值(相当于从坐下或躺下的姿势开始慢速到中速站立时的某单轴加速度大小)，同理S与ΔS的值可以根据应用场合及对象进行适当的调节。

实施例：

将本发明提出的系统按照上述方法进行搭建。器件采用飞科公司的三轴加速度传感器MMA7260Q，InvenSense公司的两轴角速度传感器IDG-300，ST公司的处理器STM32(含片内A/D)，NORDIC的nRF905无线模块。其电路连接简图如图5所示：加速度传感器输出的x轴加速度信号(第15引脚)经过一个无源RC低通滤波器后接微控制器PC0管脚(第15引脚)，该管脚为片内高速数模转换器的模拟通道10；y轴加速度信号和z轴加速度信号的输出(第14和第13引脚)通过低通滤波器后分别接入PC1和PC2(第16和第17引脚)，这两个为片内数模转换器的通道11和通道12。另外，加速度传感器的量程选择管脚G-sel1和G-sel2分别接微控制器的PE9和PE10，通过编程选择不同的量程。角速度传感器输出的绕x轴转动的角速度信号和绕y轴转动的角加速度信号通过低通滤波器后分别接入微控制器的PC3和PC4管脚，另有一路参考电压输出VREF连接到PC5管脚，分别对应片内ADC的模拟通道CH13，CH14和CH15。无线通讯模块与微控制器的串行通信接口PA2和PA3相连接。另有一路用于用户自主报警的急救开关与微控制器的通用IO口PE7相连接。

设置参数：采样周期T＝0.005秒，宽度b＝5，即g_Z＝[(1-5％)g，(1+5％)g]；时间间隔Δt＝0.5秒＝100T；位姿阀值角度θ_L＝{|θ_y|≥45°，或者θ_x≥90°，或者θ_x≤-30°}；S＝±0.25g，ΔS＝10秒。并且在10名20-25岁的健全青年男女学生身上进行数次实验。实验结果表明应用本发明可将跑跳、蹲坐、躺下等动作与摔倒动作较好的区别，将误判率降低在10％以内。针对某位使用者进行单独的参数设置则能获得更好的效果。

针对人体摔倒行为的可佩戴式自动检测装置，其原理是基于人体安全运动状态和摔倒时的运动学和动力学特性的不同，在人体表面某处安置小型检测器件(例如将其制成纽扣、胸针等物品佩戴在身上或者放入衣服口袋)，自动采集和分析人体动力学信息，判断人体是否已经摔倒。相对于视觉方法和地板振动法，这种检测装置因为使用范围广、不侵犯个人隐私，所以相对实用性较高。采用可穿戴式装置来检测人体摔倒，其关键性技术问题就是充分考虑到人体运动行为特点，区别摔倒行为与其它动作行为，在没有视觉信息帮助的情况下提高检出率、减小误判率。

Claims (1)

1.一种人体摔倒自动检测报警系统的信息处理方法，该系统由可佩戴式检测装置(9)和基站(10)组成；所述可佩戴式检测装置(9)包括相互电联接的A/D转换器(3)、信息处理装置(4)和无线信号发射装置(6)；所述基站(10)包括无线信号接收装置(7)和报警装置(8)；所述信息处理装置(4)的输入端经A/D转换器(3)分别与加速度传感器(1)和角速度传感器(2)电联接；其特征在于：

1)将角速度进行积分累加计算上躯干部位的俯仰角及侧倾角：将从初始时刻到当前时刻t的侧倾角速度ω_x进行积分累加计算出人体上躯干的当前的侧倾角θ_y(t)，同理将俯仰角速度ω_y进行积分累加计算出俯仰角θ_x(t)；其次，计算人体运动在竖直方向运动的加速度a_v，近似算法为：a_v＝a_z cosθ_x cosθ_y+a_y sinθ_y-a_x sinθ_x cosθ_y；

2)判断a_V是否接近重力加速度g、并且方向竖直向下，此时可设置区域(1±b％)g内的a_V值均为接近重力加速度g的区域，其中b定为值域的宽度范围，设这个区域为g_Z，若已经判定当前时刻的a_V在g_Z范围内，则记录当前时刻为t_a，否则继续观测下一个采样时刻的a_V值；

3)判断身体位姿是否已经到了或者临近摔倒的危险状态，当某时刻侧倾角θ_y的绝对值超过45度时、俯仰角θ_x向前弯曲90度或向后仰30度时，身体处于接近或者已经摔倒的危险区域，故此处设置危险区域的阀值区域：θ_L＝{|θ_y|≥45°，或者θ_x≥90°，或者θ_x≤-30°}；若所得侧倾角或俯仰角处于以上阀值区域内，则判定满足摔倒的位姿条件，记录当前时刻为t_θ；否则继续判断下一个采样时刻的θ_x及θ_y；

4)时间性要求，即：如果t_a与t_θ之间的时间差大于预设时间间隔Δt，则继续返回1)步骤；否则判定装置佩戴者摔倒。

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