CN103027687A - 基于3d加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒检测报警系统 - Google Patents

Abstract

基于3D加速度和陀螺仪传感器的老年人跌倒检测报警系统属于电子信息领域，其特征在于将集成了3D加速度仪和陀螺仪、蓝牙芯片和微处理器的人体运动活动感知模块嵌入到老年人穿戴的背心上，实时采集老年人活动的3D加速度和角速度数据，并通过蓝牙将活动数据发送给运行了跌倒检测软件的智能手机；跌倒检测软件依据接收到的活动数据，自动计算对应的合加速度α和偏转角θ；当合加速度α大于合加速度的阈值α_T，且偏转角θ大于偏转角阈值θ_T，则判断为跌倒发生，此时手机通过向指定联系人打电话或发送含有老年人位置信息的短信进行报警。跌倒检测软件所采用的合加速度阈值α_T和偏转角阈值θ_T采用贝叶斯算法获得。本跌倒检测报警系统具有检测精度高，方便老年人使用等特点。

Description

基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒检测报警系统

技术领域

电子信息领域，用于老年人跌倒检测及报警的方法和设备

背景技术

当今社会人口老龄化日益严峻，老年人健康成为社会关注的热点。每年全球由于老年人跌倒导致的医疗费用支出逾10亿美元。传统基于加速度检测老年人跌倒的方法，误判率较高；而基于摄像头检测老年人跌倒的方法对环境有较高依赖。本发明将集成了3D加速度和陀螺仪传感器、蓝牙芯片和微处理器嵌入到老年人穿戴的背心上，实时采集老年人活动的3D加速度和角速度数据，并通过蓝牙将活动数据发送给运行了基于阈值的跌倒检测软件的智能手机；检测到老年人跌倒状态后，手机后通过向指定联系人打电话或发送含有老年人位置等信息的短信进行报警。系统具有检测精度高，方便老年人使用等特点。

发明内容

基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌到报警检测系统，其特征在于，是一个由嵌入在老年人背心上的人体运动感知模块和智能手机共同组成的老年人跌倒检测报警系统，其中人体运动感知模块，集成了3D加速度仪、陀螺仪、微处理器和蓝牙芯片，其中，

3D加速度仪以Z轴为纵轴，根据右手定则在人体上设立坐标系OXYZ，测定人体运动过程中躯干部位沿X轴方向的侧倾加速度a_x，沿Y轴方向的俯仰加速度a_y和沿Z轴方向的转动加速度a_z，需通过微处理器所连接的蓝牙芯片向智能手机发送，

陀螺仪测定人体躯干部位绕X轴转动的侧倾角速度ω₁，绕Y轴转动的俯仰角速度ω₂和绕Z轴转动的自旋角速度ω₃，并通过微处理器所连接的蓝牙芯片向智能手机发送，

智能手机，设有人体运行的跌倒检测软件，依次按以下步骤进行跌倒检测并报警，通知使用者家属或和护理中心，

步骤（1），初始化，设有合加速度阈值和偏转角阈值，

步骤（2），按照设定的采样间隔Δt，从蓝牙芯片，接收人体运动时躯干部位的三维加速度a_x，a_y和a_z，同时接收对应采样时刻的躯干部位的三维角速度ω₁，ω₂和ω₃，并存入循环队列的缓冲区的队尾，

步骤（3），按下式计算合加速度和合角速度：

$a=\sqrt{a_x+a_y+a_z}$

$\mathrm{\ω}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_1^2+{\mathrm{\ω}}_2^2+{\mathrm{\ω}}_3^2}$

步骤（4），判断a>a_T否：

若a<a_T，则返回步骤（3），进入下一采样时刻t+1；

若a>a_T，则执行步骤（5）；

步骤（5），根据步骤（3）得到的ω按下式计算采样时刻t人体躯干部位的偏转角θ：

θ＝∫ω(t)dt，t为采样时刻；

步骤（6），判别在采样间隔Δt内偏转角θ是否大于设定的偏转角阈值θ_T：

若θ<θ_T，则退回步骤（3），进入下一采样时刻t+1,

若θ>θ_T，跌倒发生，则智能手机根据设定的报警模式报警。

附图说明

图1本发明采用的基于3D加速度的人体活动模型。

图2本发明采用的基于偏转角的人体活动模型。

图3本发明的整体框架图。

图4本发明的流程图。

具体实施方式

本发明采用3D加速度仪和陀螺仪获得老年人活动的3D加速度和角速度数据。其中3轴加速度仪采用ADXL345（Analog Devices Inc.），它的测量范围是±16g；陀螺仪采用ITG3200传感器（InvenSense Inc.），它的测量范围是±2000°每秒。主板大小是22mm×52mm×1mm（宽度×长度×厚度），微控处理器是ATmega328P-AU（Atmel Co.）。蓝牙模块采用了CSR公司的BC04-B，其采用Class2标准，有效通讯距离10米，波特率为115200bps。传感器模块的采样频率为100Hz。

智能手机运行Android2.3系统，并运行基于阈值等跌到检测算法。该算法基于3D加速度和角速度的人体活动模型。附图1所示为人体活动的加速度模型，人体运动过程中躯干部位沿x轴方向的加速度为a_x，沿y轴方向的加速度为a_y，沿z轴方向的加速度为a_z，则加速都矢量，对应的合加速度为a，且

$a=\sqrt{a_x+a_y+a_z}$              ①

如附图2所示，按照“体轴1-2-3”的顺序，身体躯干相对于地面坐标系OXYZ的转角分别为，其中为侧倾角，绕x轴转动；为俯仰角，绕Y轴转动；是自旋角，绕z轴转动。通过陀螺仪可以获得三个轴向的角速度ω₁,ω₂和ω₃，则对应的合角速度为：

$\mathrm{\&omega;}=\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_1^2+{\mathrm{\&omega;}}_2^2+{\mathrm{\&omega;}}_3^2}$           ②

再利用和角速度与偏转角之间的关系式

θ＝∫ω(t)dt             ③

可以求出偏转角。其中，手机端每两组数据之间间隔为2秒。

图3为系统运行架构图，在智能手机上运行的跌倒检测软件运行步骤如下：

（1）进行初始化，接着会通过蓝牙连续地接受加速度于角速度。

（2）根据式①计算合加速度α，并将得出的合加速度与3个角速度存入循环队列的缓冲区的队尾。

（3）将合加速度α与合加速度的阈值α_T进行比较，如果小于阈值α_T，则返回第二步；

如果α大于阈值α_T，则根据式②计算此前两秒内的所有合角速度，并根据式③计算出偏转角θ，如果θ小于阈值θ_T，则返回第二步，否则进入下一步。

（4）判断跌倒发生，手机端软件发出警报。

合加速度阈值α_T和偏转角阈值θ_T采用贝叶斯算法获得。

请参阅图3，所示为本发明的整体框架图。活动感知模块集成了3D加速度和陀螺仪传感器、蓝牙芯片和微处理器。该模块嵌入到老年人穿戴的背心上，实时采集老年人活动的3D加速度和角速度数据，并通过蓝牙将活动数据发送给运行了跌倒检测软件的智能手机，跌倒检测软件依据接收到的活动数据，自动计算对应的合加速度α和偏转角θ；当合加速度α大于合加速度的阈值α_T，且偏转角θ大于偏转角阈值θ_T，则判断为跌倒发生，此时手机通过向指定联系人打电话或发送含有老年人位置信息的短信进行报警。否则，软件继续接收活动数据并进行分析处理。

请参阅图4，所示为本发明的跌倒判断的流程图。

在步骤S1中，手机端软件通过蓝牙接收到使用者的加速度和角速度的数据。

在步骤S2中，手机端软件计算出相应的合加速度，并和阈值加速度进行比较。如果合加速度大于阈值，则进入步骤S3，否则返回步骤S1。

在步骤S3中，手机端软件会用所接收到的角速度计算出偏转角。

在步骤S4中，手机端软件会用计算出的偏转角和阈值进行比较，如果偏转角大于阈值，则进入步骤S5，否则返回步骤S1。

在步骤S5中，手机端软件会根据所设置的方式（如短信或电话）分别通知使用者家属和护理中心。

Claims (6)

1.基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌到报警检测系统，其特征在于，是一个由嵌入在老年人背心上的人体运动感知模块和智能手机共同组成的老年人跌倒检测报警系统，其中人体运动感知模块，集成了3D加速度仪、陀螺仪、微处理器和蓝牙芯片，其中，

3D加速度仪以Z轴为纵轴，根据右手定则在人体上设立坐标系OXYZ，测定人体运动过程中躯干部位沿X轴方向的侧倾加速度a_x，沿Y轴方向的俯仰加速度a_y和沿Z轴方向的转动加速度a_z，需通过微处理器所连接的蓝牙芯片向智能手机发送，

陀螺仪测定人体躯干部位绕X轴转动的侧倾角速度ω₁，绕Y轴转动的俯仰角速度ω₂和绕Z轴转动的自旋角速度ω₃，并通过微处理器所连接的蓝牙芯片向智能手机发送，

智能手机，设有人体运行的跌倒检测软件，依次按以下步骤进行跌倒检测并报警，通知使用者家属或和护理中心，

步骤（1），初始化，设有合加速度阈值和偏转角阈值，

步骤（2），按照设定的采样间隔Δt，从蓝牙芯片，接收人体运动时躯干部位的三维加速度a_x，a_y和a_z，同时接收对应采样时刻的躯干部位的三维角速度ω₁，ω₂和ω₃，并存入循环队列的缓冲区的队尾，

步骤（3），按下式计算合加速度和合角速度：

$a=\sqrt{a_x+a_y+a_z}$

$\mathrm{\&omega;}=\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_1^2+{\mathrm{\&omega;}}_2^2+{\mathrm{\&omega;}}_3^2}$

步骤（4），判断a＞a_T否：

若a<a_T，则返回步骤（3），进入下一采样时刻t+1；

若a>a_T，则执行步骤（5）；

步骤（5），根据步骤（3）得到的ω按下式计算采样时刻t人体躯干部位的偏转角θ：

θ＝∫ω(t)dt，t为采样时刻；

步骤（6），判别在采样间隔Δt内偏转角θ是否大于设定的偏转角阈值θ_T：

若θ<θ_T，则退回步骤（3），进入下一采样时刻t+1,

若θ>θ_T，跌倒发生，则智能手机根据设定的报警模式报警。

2.根据权利要求1所述的基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒报警系统，其特征在于，所述的3D加速度仪采用ADXL345。

3.根据权利要求1所述的基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒报警系统，其特征在于，陀螺仪采用ITG3200。

4.根据权利要求1所述的基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒报警系统，其特征在于，微处理器采用的是ATmega328P-AU。

5.根据权利要求1所述的基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒报警系统，其特征在于，蓝牙芯片采用BC04-B。

6.根据权利要求1所述的基于3D加速度仪和陀螺仪的老年人跌倒报警系统，其特征在于，智能手机运行Android2.3系统软件。

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