CN102982653B - 基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置，所述的装置由传感、处理控制、通信、佩戴检测及电源模块组成。含加速度计、高度计的传感模块与基于低功耗单片机的处理控制模块连接，持续监测佩戴者日常活动的加速度以及检测高度变化，佩戴检测模块检查装置佩戴方式；根据采集的加速度与高度数据判定佩戴者跌倒时，处理控制模块启动蓝牙通信模块，发出报警信息；可置于佩戴者腰带的佩戴扣含磁体，使装置能自查是否定位佩戴。本发明的优点是以持续监测的加速度信息结合高度信息准确及时地发现跌倒；以低功耗设计与高能效管理降低能耗，达到长期持续工作要求。

Description

基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置，具体的涉及一种可长时间、持续地探测人体是否发生跌倒过程的装置和方法，主要适用于对老年人的跌倒监测。

背景技术

进入21世纪，人口老龄化将愈为显露。随着经济的发展和文化的交流，人口的流动性大大加速，使得很多子女不在老人身边。因而老年人的健康及其医疗护理问题逐渐成为一个重大问题，多数老年人的健康状况无法得到及时监测。在发生意外时，如果老年人得不到即时的救助，甚至会威胁到生命安全。而跌倒是在老年人群中常有发生的。

老人的跌倒会引发很多安全问题，5％～15％的跌倒造成脑部损伤、软组织损伤、骨折和脱臼等，其中最严重的是髋部骨折。

现有的跌倒检测技术可分为三类：基于视频的跌倒检测系统，基于声学的跌倒检测系统，基于穿戴式传感器的跌倒检测系统。

基于视频的跌倒检测系统是在一定区域内安装摄像头，拍摄人体活动的画面。通过图像处理的方法，检测是否有跌倒发生；

基于声学的跌倒检测系统是通过分析跌倒时的音频信号来检测；

基于穿戴式传感器的跌倒检测系统，指将含有跌倒信号感知功能的微型装置安装在适于人体穿戴的衣物中的检测设备，如衣服、帽子、首饰等，以通过监测人体活动状况检测是否发生跌倒。

基于视频的跌倒检测系统受到区域限制；基于声学的跌倒检测系统准确率相对有待提高。现有基于穿戴式传感器的跌倒检测方式是一种最便捷、最普及的检测方式，其检测原理简单、方法研究较多且具实用性。基于穿戴式传感器的检测系统已有较多实例，例如CN2168586Y等。CN2249072Y是主要基于水银开关进行跌倒的检测；CN201127606Y等是仅利用加速度信息进行跌倒检测的方式；CN102136180A方案过于复杂，除了两个加速度计外，还需要两个陀螺仪，并且需要分组佩戴在两个部位，使用不便且提高了成本。现存的穿戴式跌倒检测方法的主要不足是系统的功耗相对而言普遍较大，难以长期持续检监测，在跌倒检测技术上主要基于加速度和角度变化信息，没有利用人体跌倒中必然发生的高度变化信息，因而检测的准确性与可靠性以及装置使用的便利性等方面都有待提高。

现阶段人体跌倒监测技术尤其是针对老年人跌倒的检测技术存在的这些主要问题，也即识别准确性不高、因电池容量有限等原因使相关装置无法进行长时间持续有效监测问题，大大降低了这类装置的实用性。因此，有必要设计一种新的人体跌倒监测方法及装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置，该基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置监测准确度高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法，由被监测的人体佩戴加速度计、高度计和单片机，单片机分别通过加速度计和高度计检测人体的加速度变化和高度变化信息，当检测到加速度值超过加速度阈值且高度变化值超过高度变化阈值时，则判断佩戴者发生了跌倒，并通过通信模块发出报警。

还通过佩戴方式的检测进一步增强检测准确性；佩戴方式的检测通过以下方法实现：

在一个佩戴扣上固定有一块磁铁，集成有高度计、加速度计、干簧管和单片机的监测模块插装在佩戴扣上时（此时为定点佩戴方式），干簧管受所述磁铁的磁作用而导通【常开型的干簧管在有磁场作用时导通】，否则，当所述的监测模块未插装在佩戴扣上时（这种情况为随意佩戴方式），干簧管的状态为断开，单片机检测与干簧管串联的下拉电阻处的电平高低即可判断所述的监测模块是否为定点佩戴方式。

为了能够及时探测人体运动异常信息并节省电能，所述的加速度计采用具有运动触发唤醒功能的集成三轴加速度计ADXL362，并且该加速度计在常态下处于可感知运动的低功耗工作模式，以持续监测加速度变化；单片机设置在唤醒工作模式：即当加速度计感知到运动强度超过设定值时输出信号触发单片机才进入工作状态，否则处于休眠状态；高度计在常态下处于断电模式，在单片机被唤醒后，由单片机的输出端口给高度计供电，使高度计进入工作模式，与加速度计配合，同时采集加速度和高度变化数据。

所述的加速度计为三轴加速度计，当检测到加速度合矢和高度幅值变化都超阈值的情况时，为提高检测的准确性，还基于重力加速度大小和方向的不变性，由三轴加速度计在超阈值期间测得的三个空间坐标轴方向（X,Y，Z）的分量先作低通滤波，再求合矢得到在随人体转动的加速度计三坐标系中重力加速度矢量与人体运动加速度合矢的夹角；当该夹角的变化程度超阈值时进一步确认装置佩戴者发生了跌倒。

一种基于前述的人体跌倒监测方法的人体跌倒监测装置，包括集成有高度计、加速度计、通信模块和单片机的监测模块中，所述的高度计和加速度计均通过SPI通信口与单片机连接，通信模块与单片机连接。

所述的人体跌倒监测装置还包括佩戴方式检查模块；佩戴方式检查模块包括用于插装所述监测模块的带有磁铁的佩戴扣和集成于所述监测模块的干簧管和下拉电阻；所述的干簧管和下拉电阻串联在输入端与电源正极连接的第一模拟开关的输出端和地之间，使干簧管与下拉电阻串联的支路的供电由受控于单片机的第一模拟开关控制，干簧管与下拉电阻的连接点接单片机的一个输入端口。【这使得装置的佩戴方式检测可以仅在单片机需要确认佩戴方式时才供电检测，以节省电能。】

所述的加速度计采用具有运动触发唤醒功能的集成三轴加速度计ADXL362，所述高度计为集成高精度气压高度计MS5611，干簧管为CT05系列干簧管，单片机为MSP430F5510，通信模块为支持蓝牙4.0通信标准的无线通信模块WB2540.【所选加速度计、高度计和单片机均为微安级低功耗器件，使系统能以低功耗实现持续监测。】

为所述检测模块供电的电源模块包括一个充电管理接口（MAX1551）和两路电源，其中，第一路电源为通信模块供电，第二路电源为单片机、佩戴方式检查模块和加速度计供电（高度计由单片机的输入输出端口供电），第一路电源的通路中串接有受控于单片机的第二模拟开关。

基于加速度和高度信息的人体跌倒监测装置，其特征在于包括传感模块，处理控制模块，通信模块，电源模块和佩戴检测模块。基于低功耗单片机的处理控制模块与由低功耗器件组成的传感模块连接，采集人体日常活动时的加速度及高度变化信息数据，并检测装置的佩戴方式；采用蓝牙无线方式的通信模块与处理控制模块连接，当根据所采集数据判断出装置佩戴者发生跌倒时，处理控制模块启用蓝牙通信模块发送报警信息；根据装置各部分对供电的不同需求，电源模块提供了负载电流能力不同的二路输出，并且在单片机控制下提供对不同部件的受控供电、直接供电和单片机I/O口供电三种方式，实现高能效电源管理，降低系统功耗、增大其续航时间。处理控制模块对传感模块测得的加速度和高度数据进行分析，通过按不同佩戴方式的数据处理程序判断出佩戴者是否发生跌倒，当判定跌倒发生时控制通信模块发送报警信息。佩戴扣用于检查装置的佩戴方式信息，以选择数据采集与处理方式，达到节能目的。可置于佩戴者裤头或腰带的佩戴扣含磁体，装置能自查是否为固定佩戴。

传感模块主要由一片超低功耗的集成三轴加速度计和一片低功耗高精度的集成气压高度计组成，由电源模块直接供电的加速度计主要工作在节能的运动触发唤醒模式下。当加速度信号超过设定限度（1.2~1.4g，g为重力加速度）时，加速度计输出中断信号，唤醒由电源直接供电但一般情况下处于低功耗休眠模式的单片机；气压高度计在正常情况下处于不工作状态，当单片机被加速度计信号唤醒后，由单片机I/O口为气压高度计供电，启动高度计采集高度变化信息。在检查佩戴方式的佩戴检测模块中,磁敏器件的供电由单片机通过模拟开关I控制，在需要了解佩戴方式信息时才对磁敏器件供电，由单片机查询其输出状态，确定装置佩戴方式。所述三轴加速度计和所述气压高度计要求选用工作电流为μA级集成器件，所述检测佩戴方式的磁敏器件为开关类的干簧管，使其功耗为μW级，且该器件断开时不消耗能量。

处理控制模块基于MSP430系列超低功耗单片机，它包含有实时时钟和SPI等多种接口。依据实时时钟提供的时间，单片机通过对不同时段传感模块采集数据作相应处理，根据对人体运动加速度和高度变化幅度的分析判断确认发生跌倒事件时，通过模拟开关II启动电源调整器II为蓝牙通信模块供电，令其发出报警信息。其中对加速度信号的处理包括人体运动加速度合成矢量（合矢）的计算、与重力加速度矢量的夹角计算，以及判定可能发生跌倒事件之前、后两个状态之间的夹角变化分析。对高度信号的处理包括确认高度变化范围与变化率是否超过人体正常躺下或坐下时的变化阈值（具体参数见后面）。

人体活动的加速度合矢及其模分别按下面二式计算：

$\stackrel{\→}{\mathrm{SVM}}=\stackrel{\→}{a_x}+\stackrel{\→}{a_y}+\stackrel{\→}{a_z}$

$\left|\stackrel{\→}{\mathrm{SVM}}\right|=\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}$

其中a_x，a_y，，a_z分别表示传感器三轴x，y，z向的加速度值，在定点配戴于直立人体的腰带的模式下，z方向为铅垂方向，x、y方向对应于人体的前后和左右方向。随意位置佩戴时，加速度计各轴向与人体运动方向不直接对应，通过单片机进行处理可确定随意位置下装置的具体朝向。可针对具有不同运动强度的佩戴者设定和调节的安全阈值（参数值后述），当超过设定阈值时，进一步结合高度变化信息可正确判断跌倒发生与否。

对定位和随意佩戴模式下的正常值进行数据分析处理的流程略有不同，但其中都包括加权平均和中值滤波处理。在定位定佩戴模式下，重力方向初始是对应Z轴方向；在随意位置佩戴模式下，基于重力加速度大小和方向的不变性，将根据低通滤波处理后的数据按下式计算，得到装置佩戴者在不同活动时刻的加速度合矢与重力方向的夹角θ。

$\mathrm{\θ}=\arccos (\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{SVM}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{SVM}}\right|}\·\frac{\stackrel{\→}{g}}{\left|\stackrel{\→}{g}\right|})$ 【括号中为2个矢量的点乘。】

式中，为重力加速度矢量，为的模；g_x，g_y，g_z通过分别对a_x，a_y，a_z进行低通滤波得到。【所述矢量均是以加速度计为参考的三维坐标系中的矢量】

当超阈值后，在超阈值前一时刻（为1秒左右，最大小于2秒）的角度θ₁与超阈值一段时间（通常1~5S，）后趋于稳定的角度θ₂之间的角度变化量Δ（Δ=θ₂-θ₁）超过设定的安全阈值时，判定为佩戴者很可能发生了跌倒。

根据在可能发生跌倒的过程中超阈值前、后的两个相关时间内的装置高度变化数据，当高度变化超过设定阈值时，在所述的角度变化量超阈值的基础上可明确判定发生了跌倒。

装置的定位佩戴和随意佩戴方式的检测借助一个特殊设计的佩戴扣实现。所述佩戴扣是一种能够夹在皮带或者裤头上的装置固定座，固定座上与装置传感模块中的干簧管对应的位置上有小磁体（直径5毫米以下），装置插入佩戴扣后能感应到该磁体。将该佩戴扣佩戴在被监测人体上，能实现装置具体佩戴方式分类，即定位的佩戴模式和非定位的佩戴方式。处理控制模块可根据两种佩戴情况分别选择相应识别程序，目的是提高监测的准确性和采用不同的数据采集与电源管理。

所述加速度合矢的阈值可设为1.5g~2.0g；所述角度变化Δ阈值设为67°（约90°的四分之三）；所述高度变化阈值取值范围为40~90cm；具体高度和加速度阈值均可根据佩戴者的不同身高调节。

电源模块包括:(1)一块较大容量的可充电锂电池以及锂电池充电管理器，(2)为单片机与传感模块直接供电的第一路小负载能力(5mA级)电源调整器I，(3)为蓝牙通信模块供电的第二路较大负载能力（50mA级）的电源调整器II。

蓝牙通信模块模块采用的是基于CC2540芯片的低功耗蓝牙4.0技术通信模块WB2540，控制干簧管和蓝牙模块供电的两路模拟开关选用nW级的ADG821，加速度计选用具有超低功耗的集成传感器ADXL362（最大工作电流3μA，运动触发模式下的工作电流为270nA，待机电流为10nA），高精度气压高度计选用超低功耗的集成传感器MS5611-01BA03（工作电流根据不同的分辨率在0.9~12.5μA之间，待机电流为0.14μA），电源调整器I选用的是具有5mA输出能力的电压基准源器件LT6656，电源调整器II选用DC/DC电压调整器TPS62730，充电管理芯器选用MAX1551，佩戴方式检测器选用CT05系列干簧管（选用导通电阻低（140mΩ）且工作电流可设置在几个mA），装置的传感和处理控制模块以及电源模块中的模拟开关的工作电压设为2.5V，蓝牙通信模块工作电压为2.1V。

有益效果：

本发明的基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法及装置，包括传感、处理控制、通信、佩戴检测及电源模块。含加速度计、高度计的传感模块与基于低功耗单片机的处理控制模块连接，持续监测佩戴者日常活动的加速度以及检测高度变化，佩戴检测模块检查装置佩戴方式；根据采集的加速度与高度数据判定佩戴者跌倒时，处理控制模块启动蓝牙通信模块，发出报警信息（藉由带蓝牙的手机或其他通信设备传送监护者或监护中心）；电源模块设置了两种不同负载能力的输出，大者受控供给通信模块，小者直供传感和处理控制模块；可置于佩戴者腰带的佩戴扣含磁体，使装置能自查是否定位佩戴。本发明的优点是以持续监测的加速度信息结合高度信息准确及时地发现跌倒；以低功耗设计与高能效管理降低能耗，达到长期持续工作要求。

本发明的优点在于：

1.利用持续监测的加速度信息结合高度信息，能准确及时地识别跌倒并报警；当加速度计探测到装置佩戴者超正常活动的加速度阈值信号时，会立即唤醒休眠的单片机，由单片机启动气压高度计采集加速度和高度数据；当单片机根据采集的三维加速度变化信息计算出装置断佩戴者在短时间内（小于2秒）人体发生超阈值幅度的运动加速度变化和超过阈值角度的转动，并且高度变化也超阈值时，即判定佩戴者发生了跌倒。

当单片机根据采集的加速度和高度数据判定佩戴者跌倒时，单片机通过供电控制开关启动蓝牙通信模块发送报警信息，借助带蓝牙的手机或室内外其他带蓝牙的通信设备将报警信息传送监护者或监护中心。

2.采用能够以低功耗持续工作的器件配合低功耗工作方式的方案设计以及高能效的电源管理设计能显著降低能耗，达到在有限电池容量下实现长时间持续工作的要求。

附图说明

图1为本发明基于加速度和高度信息的人体跌倒监测装置构成框图。

图2为本发明基于加速度和高度信息的人体跌倒监测装置结构功能示意图。

图3为本发明基于加速度和高度信息的人体跌倒监测装置工作流程图。

图4为本佩戴扣判断装置位置的实现方式图。（其中图a为佩戴扣结构示意，箭头方向为佩戴扣插入方向，图b为佩戴扣中插入监测模块后的结构示意图，图c为佩戴扣的侧视图。）

标号说明：1-磁铁，2-卡扣部件。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

所述的传感模块主要由一个具有运动触发唤醒功能且超低功耗的集成三轴加速度计和一片低功耗高精度的集成气压高度计构成。其中，加速度计和处理控制模块的单片机直接由电源调整器I供电，气压高度计则由处理控制的单片机I/O提供，因此其工作状态由单片机决定。三轴加速度计在正常情况下处于功耗很低的运动触发唤醒模式，当被监测者的运动程度达到设置的阈值1.2g~1.4g（g为重力加速度）时，唤醒加速度计转入全范围的工作模式，同时产生输出信号作为中断请求发送给处于休眠的单片机，通过中断响应唤醒单片机工作，再通过单片机的I/O口为气压高度计供电和控制模拟开关为佩戴方式检测器供电，以采集与加速度同步变化的高度信息并检查佩戴方式。根据从传感模块采集的连续加速度变化信息结合从气压高度计获得的高度变化信息，根据按不同的配带方式进行的数据处理，采用超阈值判别方法可准确判定跌倒发生。

所述的电源模块含有对锂电池充电管理的芯片，以及按负载能力需要分别设置的两路电源。其中，充电管理器选用可自动识别USB或者适配器的集成器件，以方便使用不同的充电方式。例如Maxim公司的MAX1551，其在USB供电模式下提供最大100mA的充电电流，在适配器模式下能提供280mA的充电电流，并且无需使用输入屏蔽二极管来防止电池漏电。系统分别设置的两路电源的规格分别为2.5V/5mA（电源调整器I）和2.3V/100mA（电源调整器II）。其中电源I采用串联式电压基准源器件（例如LT6656BIS6-2.5)提供，以电压基准源作为电源不仅输出电压稳定且其自身功耗小（最大静态电流小于1μA），可满足除蓝牙通信模块以外的其他模块器件的供电需求。装置中蓝牙通信模块的功耗相对较大，其工作电流在20mA以上，因此，蓝牙通信模块采用单独设计的电源供电，选用集成电源调整器（例如TPS62733）实现电源，通过单片机I/O控制模拟开关II选通和切断蓝牙通信模块的供电电流。

佩戴方式的识别通过一个干簧管与佩戴扣上的永磁铁配合实现。干簧管的两端端分别接在MSP430单片机的一个I/O口和模拟开关的输出端上，并且在联接单片机I/O口的那端还通过下拉电阻接地；模拟开关的另一端接电源I输出端。具体检测和节能方式选择方法是由单片机的一个I/O口输出一个高电平使模拟开关导通，从而干簧管的一端获得电源，然后单片机通过I/O口对干簧管的另一端（接电阻的一端）的电平状态采样，通过对连接干簧管接电阻的一端的I/O口电平高低判断装置是否采用定点方式佩戴。

作为处理控制模块核心的的单片机选用TI公司的具有超低功耗和宽工作电压范围的微控制器MSP430F5510，其在3V电源下，以1MHz工作的电流消耗为195μA，在实时时钟开启、可快速唤醒的低功耗模式（即该系列单片机的LPM3工作模式）下的电流消耗为2.1μA（3V电源），其I/O口具有mA级驱动能力。在本装置中，当装置佩戴者处于较低强度（加速度计感受的加速度<1.2g）的运动时，该单片机基本处于低功耗节能模式LPM3（工作电压为2.5V），在出现较大幅度的运动加速度激励下，该单片机由加速度计产生的输出信号唤醒转入工作模式，分别通过SPI通信接口接收加速度计和高度计的输出并查询获取干簧管的导通状态信息，通过数据处理和阈值判断确定佩戴者是否发生跌倒，若判定发生跌倒事件，则通过模拟开关接通无线模块的电源，启动蓝牙模块发送报警信息，借助带蓝牙接口的手机或者室内外的带蓝牙的通信设备将此报警信息传送监护者或监护中心；若判定无跌倒事件发生，则单片机将再度转入低功耗模式。

传感模块中的三轴加速度传感器选用的加速度计是具有超低功耗和运动触发唤醒功能的集成三轴加速度计ADXL362，其在运动触发唤醒工作模式下的工作电流仅270nA，在全范围输出数据速率为400Hz时电流低于3μA，工作电压可低达1.8V。气压高度计是具有低功耗和高精度的集成器件MS5611-01BA03，其能分辨的高度变化范围达到了10cm，并且在正常工作模式下的功耗只有1μA，适于用单片机I/O口直接供电。佩戴方式检测器采用的是CT05系列干簧管，其内阻很低，且导通工作时间短，因而能耗很小。在电源模块设计中，对电源调整器的选择重点考虑了低负载下的工作效率，其中电源调整器I没有采用一般的电源管理器件，而是根据传感器、单片机等器件的低消耗水平选用了仅有1μA静态消耗的电压基准源LT6656（输出电压为2.5V，输出电流达5mA），在获得稳定电源电压的同时，降低了电源管理器件的自神消耗。蓝牙通信模块采用支持蓝牙4.0通信标准的基于CC2540低功耗芯片的无线通信模块WB2540，为其供电的电源调整器2采用了TPS62733（输出电压为2.3V，最大电流能达100mA），而TPS62733的供电由单片机通过模拟开关II控制，以最大限度地减小蓝牙通信模块和其电源的自身消耗。由于关键传感器件具有极低功耗的运动感知触发功能，且所选器件功耗均低，加上采用了主要耗能模块（单片机、蓝牙模块）需触发唤醒的工作方式设计，因此，本装置的能耗非常低（持续探测的平均工作电流在50μA左右，45~61μA，平均功耗在150μW以下），在能够以持续运动监测满足实时性要求的同时，显著降低了该装置的能耗，大大增强其续航能力。佩戴扣上设有用于将佩戴扣固定在被监控者皮带等物件的夹扣。

如图1所示的基于加速度和高度信息的人体跌倒监测装置的构成框图，它主要包括传感模块、处理控制模块、通信模块和电源模块。基于超低功耗单片机的处理控制模块是装置的核心，其他模块与处理控制模块相连接并受其控制，传感模块包括佩戴方式检测器、高度计、加速度计，能够采集被装置佩戴者日常活动中的加速度信息，高度变化信息以及检查装置佩戴方式，检查佩戴方式的作用是装置置于佩戴扣中这种定点佩戴方式时，装置的方位是固定的，其三个坐标轴方向的加速度变化可明显反映出佩戴者躯体的位姿变化，更有利于以简单和低功耗方式正确无误的探测跌倒的发生。

如图2所示的可持续人体跌倒监测的装置结构及电源管理框图。图中实线代表电源线，带箭头的线代表信号线。该装置的电源来自可充电的锂电池，电池容量选用1000mAh，设计有充电管理电路，可实现电源适配器和USB两种充电方式，充电时充电管理芯片可以为系统提供电源。充电管理芯片的输出端接到电池，同时也接到电源芯片的电源输入引脚。该装置设计了两路电源，即电源I和电源II。电源I负责给处理控制模块和传感模块供电，电源2在处理控制模块的单片机控制下为蓝牙通信模块供电。其中传感模块的具体供电及管理设计方案为：加速度计的电源直接由电源I提供，模块中高度计的电源由单片机MSP430F5510的I/O口提供，佩戴方式检测器的电源则由受单片机控制的模拟开关控制。装置的传感模块对人体运动进行检测，所选用加速度计具有阈值设定功能，因此，通过设置一个合理的加速度阈值来进行下一步操作，启动单片机工作的这个加速度触发阈值可设置在1.2g~1.4g之间【g为重力加速度】，具体根据被监测人的日常运动习惯等情况设置。装置的低功耗单片机在正常情况下处在中断触发休眠模式下，而且不给高度计供电，也断开了佩戴检测传感器和蓝牙通信模块的电源。当加速度计因感应的加速度强度超过触发阈值而触发时，加速度计进入正常工作状态，在对加速度进行采样的同时输出一个中断信号，唤醒处于低功耗休眠模式的单片机。单片机先通过I/O口提供高度计电源，其次查看实时时钟的时间，判断当前时刻属于哪个时段（时段可设置为白天和晚上两种），然后控制模拟开关为佩戴方式检测器供电，通过检查其输出状态判断佩戴方式后（定点方式或随意方式的区别，随意是指没有将装置定向放置在佩戴扣中。这样的话，需要根据一定时间间隔内，前后时刻的加速度和高度变化来区分判断是否发生跌倒，这样的信息处理更为复杂。），再控制模拟开关其断开供电。之后在单片机控制下系统开始采集加速度和高度信息，根据不同的时段和佩戴方式，按不同程序进行数据处理，判定装置佩戴者是否发生跌倒事件。根据时段和佩戴方式的不同情况进行处理判断可提高监测的准确性以及方便不同情况下的功耗控制。

如图3所示为可持续监测人体跌倒装置的数据处理和跌倒判断工作流程图。正常情况下，系统上电完成初始化后，进入一个低占空比的工作、休眠交替循环状态。

如图4所示为佩戴扣和装置的外观及结构示意图，主要表明实现定点佩戴位置自检功能的结构组成方式。

装置定点佩戴方式检测器由磁敏的干簧管结合单片机I/O口和模拟开关等构成，利用佩戴扣特定位置上安置的小磁体的激励使干簧管闭合导通，从而获得定点佩戴的信息。

装置各模块的具体连接方式如下。

在处理控制模块中，MSP430F5510的I/O口p1_5与电源模块中负责充电管理的MAX1551的电池充电状态指示引脚POK相连接，以在充电时检测电池的充电情况；MSP430F5510的I/O口p1_6连接电源模块中模拟开关II（ADG821的A通道）的引脚IN1，以通过控制电源模块中电源调整器II（TPS62730）的输入来控制蓝牙模块的供电。

在传感模块中，加速度计ADXL362的中断输出口INT1（第11引脚）连接MSP430f5510具有中断功能的I/O口p1_3，以在超过一般运动触发阈值时由加速度计产生中断信号，唤醒一般处于休眠状态的单片机MSP430f5510；MSP430f5510的I/O口p1_4连接加速度计ADXL362的第9引脚（INT2），以接收来自MSP430f5510的同步采样命令；MSP430f5510的SPI通信端口USCIA0和加速度计ADXL362的SPI端口连接（具体为USCIA0中的UCA0CLK，UCA0CSTE，UCA0MISO，UCA0MOSI分别和加速度计ADXL的SPI口中的时钟信号端CLK，片选端CS和输入输出口MOSI，MISO连接），实现两者之间的数据通信。处理模块中MSP430f5510的I/O口p1_0连接到传感模块中高度计MS5611-01BA03的电源正端（第7脚），实现由处理器I/O口向高度计的供电与控制；MSP430f5510的SPI接口USCIB1和高度计MS5611-01BA03的SPI接口连接（具体为处理器的UCB1CLK、UCB1CSTE、UCB1MISO、UCB1MOSI分别连接高度计MS5611-01BA03的SCLK、CSB、SDO、SDI脚），实现处理器和高度计之间的数据通信。

在佩戴检测模块中，模拟开关I（ADG821的B通道）的一端接电源，另一端接干簧管；MSP430f5510的I/O口p1_2接ADG821的IN2端，实现处理控制模块对佩戴检测电路模块的供电控制；MSP430f5510的I/O口p1_1接干簧管CT05与接地电阻连接的一端，以获取定位佩戴状况信息。

处理控制模块中的MSP430f5510的P6组I/O口连接蓝牙通信模块连接座WB2540-connecter的P0组I/O口，实现处理器与蓝牙模块之间的信息传输，MSP430f5510的I/O口p1_7通过连接座WB2540-connecter连接到蓝牙芯片的复位引脚N_RESET，实现按需要启用蓝牙通信模块的功能控制。

本装置的能耗水平与续航能力情况如下。

本装置的工作模式分为三种：

（1）仅有加速度计工作于运动触发模式的一般监测模式；

（2）加速度计、高度计、单片机正常工作的重点监测模式；

（3）加速度计、高度计、单片机和蓝牙模块以及供电模块权工作的报警信息发送模式。其中，佩戴检测模块只在重点监测模式启用时使用一次。

一般检测模式下，加速度计ADXL362的消耗电流为270nA，ADG821共计消耗18nA，MSP430单片机消耗180nA，总计468nA；

重点检测模式下，加速度计ADXL362的消耗电流为3.0μA，高度计MS5611消耗1μA，佩戴检测模块（工作一次）5μA，MSP430单片机消耗195μA，总计204μA；

信息发送模式下，加速度计ADXL362的消耗电流为3.0μA，高度计MS5611消耗1μA，MSP430单片机消耗195μA，蓝牙通信模块消耗24mA，总计24.2mA。

一般情况下，人一天平均相对剧烈的运动时间在2.5小时到4.5个小时之间，另外人每天通常睡觉在6~12小时之间比较正常。因此，本装置的一般监测模式在一天中所占的时间比例为82~90%时间左右，具体因人而异。设发生跌倒时所经历过程最大占到一天时间的1‰（实际远小于这个数），因此计算可得两种极限情况下系统的平均功耗。同时在1000mAh的电池始终保证至少10%的能量用于无线发送的条件下，电池的可用容量为900mAh。下面为基于上述分析条件与数据的功耗和装置续航时计算。其中，MSP430F单片机的工作频率为1MHz。

基于上述工作时间设置和本装置三种工作模式的电流消耗水平，可得不同情况下的平均电流消耗和续航时间：

一般监测模式占90%时间的情况下：

平均消耗电流：P=p1*90%+p2*10%+p3*1‰=0.4212+20.4+24.2=45(μA)

电池可续航时间：T1=900/0.045/24=833.3（日）

一般监测模式只占60%时间的情况下：

平均消耗电流：P=p1*82%+p2*18%+p3*1‰=0.38376+36.72+24.2=61.3(μA)

电池可续航时间：T1=900/0.0613/24=611.8（日）。

Claims (6)

1.一种基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法，其特征在于，由被监测的人体佩戴加速度计、高度计和单片机，单片机分别通过加速度计和高度计检测人体的加速度变化和高度变化信息，当检测到加速度值超过加速度阈值且高度变化值超过高度变化阈值时，则判断佩戴者发生了跌倒，并通过通信模块发出报警；

所述的基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法还通过佩戴方式的检测进一步增强检测准确性；佩戴方式的检测通过以下方法实现：

在一个佩戴扣上固定有一块磁铁，集成有高度计、加速度计、干簧管和单片机的监测模块插装在佩戴扣上时，干簧管受所述磁铁的磁作用而导通，否则，当所述的监测模块未插装在佩戴扣上时，干簧管的状态为断开，单片机检测与干簧管串联的下拉电阻处的电平高低即可判断所述的监测模块是否为定点佩戴方式。

2.根据权利要求1所述的基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法，其特征在于，为了能够及时探测人体运动异常信息并节省电能，所述的加速度计采用具有运动触发唤醒功能的集成三轴加速度计ADXL362，并且该加速度计在常态下处于可感知运动的低功耗工作模式，以持续监测加速度变化；单片机设置在唤醒工作模式：即当加速度计感知到运动强度超过设定值时输出信号触发单片机才进入工作状态，否则处于休眠状态；高度计在常态下处于断电模式，在单片机被唤醒后，由单片机的输出端口给高度计供电，使高度计进入工作模式，与加速度计配合，同时采集加速度和高度变化数据。

3.根据权利要求1所述的基于加速度和高度信息的人体跌倒监测方法，其特征在于，所述的加速度计为三轴加速度计，当检测到加速度合矢和高度幅值变化都超阈值的情况时，为提高检测的准确性，还基于重力加速度大小和方向的不变性，由三轴加速度计在超阈值期间测得的三个空间坐标轴方向(X,Y,Z)的分量先作低通滤波，再求合矢得到在随人体转动的加速度计三坐标系中重力加速度矢量与人体运动加速度合矢的夹角；当该夹角的变化程度超阈值时进一步确认装置佩戴者发生了跌倒。

4.一种基于权利要求1所述的人体跌倒监测方法的人体跌倒监测装置，其特征在于，包括集成有高度计、加速度计、通信模块和单片机的监测模块中，所述的高度计和加速度计均通过SPI通信口与单片机连接，通信模块与单片机连接；

所述的人体跌倒监测装置还包括佩戴方式检查模块；佩戴方式检查模块包括用于插装所述监测模块的带有磁铁的佩戴扣和集成于所述监测模块的干簧管和下拉电阻；所述的干簧管和下拉电阻串联在输入端与电源正极连接的第一模拟开关的输出端和地之间，使干簧管与下拉电阻串联的支路的供电由受控于单片机的第一模拟开关控制，干簧管与下拉电阻的连接点接单片机的一个输入端口。

5.根据权利要求4所述的人体跌倒监测装置，其特征在于，所述的加速度计采用具有运动触发唤醒功能的集成三轴加速度计ADXL362，所述高度计为集成高精度气压高度计MS5611，干簧管为CT05系列干簧管，单片机为MSP430F5510，通信模块为支持蓝牙4.0通信标准的无线通信模块WB2540。

6.根据权利要求5所述的人体跌倒监测装置，其特征在于，为所述检测模块供电的电源模块包括一个充电管理接口和两路电源，其中，第一路电源为通信模块供电，第二路电源为单片机、佩戴方式检查模块和加速度计供电，第一路电源的通路中串接有受控于单片机的第二模拟开关。