CN102881115A

CN102881115A - 基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统

Info

Publication number: CN102881115A
Application number: CN2012103530797A
Authority: CN
Inventors: 李铁军; 宓现强; 廖芸
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-01-16

Abstract

基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，包括微处理器，加速度传感器，信息采集及发射模块，无线接收模块，上位机软件模块、报警器和电源。微处理器分别与加速度传感器，信息采集及发射模块，报警器，电源相连；信息采集及发射模块通过ZigBee无线信息传输依次与无线接收模块、上位机软件模块连接；所述的加速度传感器测量方向为三轴，输出信号为模拟信号或者数字信号；所述无线接收模块其协调器节点、数据接收节点、上位机由串口连接，上位机与服务器通过网口连接。本发明灵敏度高，能及时检测出被监护人人体姿态，坐标定位、跌倒时间及报警信息，通过无线传输的方式发送至上位机软件模块，使监护人在第一时间获知紧急情况并采取救助措施。

Description

基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统

技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，用于对人体运动状态的突变情况进行实时评估和报警，便于及时救助。

背景技术

居家的老人或者老年人聚集的场所中自理能力较差的个体发生一些意外情况时，往往得不到及时的处理和救护。在诸多的意外情况中，有一类意外非常具有代表性——运动状态突变。这里运动状态突变是指由于外力或自身协调问题造成的身体姿态的快速变化，针对运动状态突变的研究比较多的是对跌倒的检测。对于人体而言，运动状态的迅速改变可能会对人体产生危害，因此如何快速检测出这些运动状态的突变信息并报警，对于快速引导救助和妥善处理好发生运动状态突变的个体而言非常重要。而现有的类似功能的系统大致有三类：基于视频、基于声学和基于穿戴式的跌倒监测系统。其中，基于视频的跌倒监测系统受限于检测区域；基于声学的跌倒监测系统准确率相对较低。现有基于穿戴式的跌到检测系统如Int.C1CN2249072Y等一般都是采用水银开关进行跌倒检测判断，检测准确度不够；Int.C1CN201127606Y，采用双轴加速度传感器进行跌倒监测。其不足之处在于准确度不如三轴加速度传感器高，且不能实时反馈检测信息至监控终端。大部分传统的跌倒监测系统不具备远程无线通信功能，并且不能对使用者的位置进行准确定位，准确性不强，以至于无法对跌倒的人适时完成救助。

发明内容

本发明公开了一种基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，利用三轴加速度传感器进行状态监测，通过微处理器的实时处理，并结合ZigBee无线传输技术，能及时地反映出使用者的人体姿态，通过实时检测佩戴者的人体姿态和运动信息来判断人体是否处于跌倒状态。本发明的目的在于克服现有的与本发明类似的佩戴于人体的检测和报警系统存在的灵敏度不高，准确性不强，以至于无法实施及时救助的缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，佩戴于人体腰部的包括微处理器，加速度传感器，信息采集及发射模块，报警器和电源；远程端包括：无线接收模块，上位机软件模块，其特点是：

A)微处理器分别与加速度传感器，信息采集及发射模块，报警器，电源相连；信息采集及发射模块通过ZigBee无线信息传输与远端无线接收模块连接，无线接收模块与上位机软件模块连接；

B)所述的加速度传感器采用三轴加速度传感器，即测量方向为三轴，输出信号为模拟信号或者数字信号；

C)所述的信息采集和发射模块包括对加速度信息的采集、前置放大、低通滤波、高通滤波、主放大器放大、50Hz陷波、电平抬升、AD转换及发射；

D)所述无线接收模块包括协调器节点、数据接收节点和移动节点；所述协调器节点、数据接收节点、上位机由串口连接，上位机与服务器通过网口连接。

所述的三轴加速度传感器，三轴分别与人体解剖结构的垂直轴、矢状轴和冠状轴同向，实时采集人体在这三轴方向的加速度，进而通过微处理器计算出瞬间的相应位移。

所述的上位机为PC机，PC机输出与定位显示模块、检测时间显示模块和报警状态显示模块连接。

加速度传感器实时采集三个方向的加速度和对应的时间，并传送到微处理器进行实时分析，获得佩戴者的身体姿态状态信息，并将身体姿态和实时时间信息通过基于ZigBee的无线传输方式发送至上位机软件模块，通过分析计算进而判断是否做出报警。

本发明设计的基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，佩戴于人体腰部，灵敏度高，能及时检测出被监护人人体姿态，准确坐标定位及发生跌倒的时间，系统拥有节点体积小、架构简单、低速率、低功耗、网络容易、可无限扩展等优点，把ZigBee技术引入家庭、养老院监控护理领域，可让使用者在一定范围内接受监护者的无线实时监控，及时发现使用者当前的人体状态。这既给使用者在一定范围内自由活动提供方便，减轻了监护者的工作负担，同时也为监护者处理急救状况提供了有效手段，使被监护者能在第一时间获得救助。

附图说明

图1为本发明基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统的结构框图；

图2为发明信息采集及发射模块的结构示意图；

图3为本发明无线接收模块的结构示意图；

图4为本发明上位机软件模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。这些实施例仅用于解释本发明而不是用于限制本发明。凡采用与本发明相同或相似的方法，或做出的等价修改，均应落入本发明保护范围。

如图1所示：一种基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，佩戴于人体腰部的包括微处理器，加速度传感器，信息采集及发射模块，报警器和电源；远端包括无线接收模块，上位机软件模块，上位机。微处理器分别与加速度传感器，信息采集及发射模块，报警器，电源相连；信息采集及发射模块通过ZigBee无线信息传输与无线接收模块连接，无线接收模块与上位机软件模块连接。所述的加速度传感器采用三轴加速度传感器，即三轴分别与人体解剖结构的垂直轴、矢状轴和冠状轴同向，输出信号为模拟信号或者数字信号；

如图2所示：所述的信息采集及发射模块包括对加速度信息的采集、前置放大、低通滤波、高通滤波、主放大器放大、50Hz陷波、电平抬升、AD转换及发射。

如图3所示:所述无线接收模块包括协调器节点、数据接收节点和移动节点；所述协调器节点、数据接收节点、上位机由串口连接，上位机与服务器通过网口连接。

电源为整个系统提供电能，支撑系统的正常工作。电源可以是蓄电池、锂电池等可充电电池。

将基于ZigBee的便携式人体跌倒检测和报警系统，佩戴于人体腰部。加速度传感器的三轴向与人体解剖结构的垂直轴、矢状轴和冠状轴分别同向。加速度传感器实时采集三个方向的加速度和对应的时间，并传送到微处理器进行实时分析，获得配戴者的身体姿态状态信息。微处理器实时计算分析人体姿态，进而判断是否做出报警。当微处理器识别出配戴者可能发生意外的跌倒情况后，可立即自动发出声光信号进行报警，提醒相应监护人尽量进行必要的处理，如现场急救等。并将报警信息，佩戴者的身体姿态、坐标定位和检测时间信息通过无线传输的方式发送至上位机软件模块，使上位机接收者能在第一时间获知紧急情况并采取必要的救助措施。

上位机软件模块包括对使用者当前位置的坐标显示、检测时间显示和报警状态显示；

协调器节点通过以太网完成数据接收节点和移动节点的地址分配，上位机为PC机，PC机输出与定位显示模块、检测时间显示模块和报警状态显示模块连接。

参见图2所示加速度传感器信息采集及发射模块结构示意图，加速度信息采集板主要完成三个方向的加速度信息采集、放大以及滤波，经过微处理器的数据处理并对人体状态进行判断后，送入无线发射板进行AD采样，采样后的数据先缓存起来，最后以一帧数据包无线发送给数据接收节点。移动节点的协议栈主要完成AD采样，以及两个LED灯的控制，用于显示移动节点当前的工作状态。首先，移动节点以200Hz采样频率采样100个字节的三轴加速度传感器数据，由于采样100个字节过程需要用的时间为500ms，因此，在此节点期间移动节点发送一次定位请求，获得定位节点的二维坐标（X,Y），定位耗时为200ms左右。然后按照消息帧格式把移动节点地址、人体状态数据和定位坐标封装起来，最后发送给移动节点的父节点。

参见图3所示无线接收模块模块结构示意图，协调器节点通过以太网完成数据接收节点和移动节点的地址分配，分配具有唯一性的16位短地址。移动节点完成人体状态信息的采集、处理以及传输，该节点对节点体积、便携性以及电池寿命都有很苛刻的设计要求，同时该节点是作为数据接收节点的子节点加入到ZigBee网络中；数据接收节点一方面是配合移动节点做定位，定位原理是移动节点发出的定位请求数据帧，计算出接收信号强度值（RSSI）后，把RSSI值以及数据节点的坐标一同发给移动节点，由移动节点中CC2431内部的硬件定位引擎计算出自身的坐标值，因此要求数据接收点的坐标是已知的，该节点是采用+5VDC直流稳压电源供电。另一方面，数据接收点还要完成人体状态数据的接收和经串口转网口模块把人体状态数据和定位信息传输给上位机（PC机）。

参见图4所示上位机软件模块结构示意图，主要实现获取病人当前位置的坐标信号、人体姿态信息和检测时间。

本发明中综合考虑ZigBee支持的网络拓扑结构的优缺点，采用以太网和ZigBee相结合的网络结构作为实施方案。在ZigBee的星形拓扑结构上扩展有线网络部分，对于移动节点而言，通过以太网相连的协调器和所有数据接收节点逻辑上可以看作传统ZigBee星形拓扑结构中的协调器节点。这样，移动节点就不需要为其他节点提供数据的中继转发，从而能有效延长电池的续航时间。为了克服单一协调器的覆盖范围和带宽容量有限的缺陷，本发明考虑把多个数据接收节点及协调器通过以太网组合起来逻辑上作为一个协调器来使用，这样就可以是网络覆盖范围小、带宽不足和移动节点的功耗高等问题得到有效解决。

Claims

1.一种基于ZigBee的人体跌倒检测和报警系统，佩戴于人体腰部的包括微处理器，加速度传感器，信息采集及发射模块，报警器和电源；远程端包括：无线接收模块，上位机软件模块，其特点是：

2.根据权利要求1所述基于ZigBee的人体跌倒检测和报警系统，其特征在于：所述的三轴加速度传感器，三轴分别与人体解剖结构的垂直轴、矢状轴和冠状轴同向，实时采集人体在这三轴方向的加速度，进而通过微处理器计算出瞬间的相应位移。

3.根据权利要求1所述基于ZigBee的人体跌倒检测和报警系统，其特征在于：所述的上位机为PC机，PC机输出与定位显示模块、检测时间显示模块和报警状态显示模块连接。