CN103300865A - 基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统以及方法。本发明的方案主要由数个基于ZigBee技术的三轴加速度传感器和ZigBee网关来实现，每个三轴加速度传感器为一个传感器节点，数个传感器节点分布于居民楼内需要监控的独居老人随身佩戴，执行老人在各个方向上加速度数据的采集、预处理、发送等工作。ZigBee网关具有ZigBee协调器和协议转换功能,将三轴加速度传感器节点ZigBee发送的ZigBee协议格式的数据转换成以太网协议格式的数据传输到控制中心主机。控制中心主机通过以太网与ZigBee网关通信,实时显示每个加速度传感器节点的信息，如果加速度数据分析出老人摔倒会立刻报警，通知小区保安及老人家属，以确保老人得到及时救助。
Description
技术领域
本发明涉及远程监测技术，具体涉及三轴加速度传感器检测人体姿态技术，尤其是指一种基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测。
背景技术
随着中国人口的老龄化越来越严重，同时由于“计划生育”政策的实施，现如今，家庭中是独生子女的家庭较多。目前，甚至以后的家庭生活中，对老人的照顾问题必将成为家庭生活中所要面对的重中之重的问题。针对独居老人(特别是有心脑血管疾病的)的意外摔倒，而导致中风甚至死亡的情况。检测老年人摔倒系统的应用将大大缓解这一情况的发生，给老年人提供最及时的救护与治疗。
目前检测老年人摔倒最直接的方法就是利用图像监控设备进行远程监控，但是这个侵犯了老年人的个人隐私。干扰了老年人的正常生活，所以最好采用佩戴式的传感器进行检测。但是采用传感器进行检测的技术，其无法实现远程监控，同时其成本非常高，不具备实用性。
针对上述现有检测技术所存在的问题，提供一种能够低成本实现远程精确监控的监控技术是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有人体姿态检测技术所存在的问题，而提供一种基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统。该系统能够实现以较低的成本完成对独居老人摔倒的精确监控。
作为本发明的第二目的，本发明提供一种基于该检测系统的检测方法，由此实现实时监控独居老人的身体姿态，以确保独居老人摔倒后能及时得到发现及救助。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，所述检测系统包括：
数据采集单元，所述数据采集单元包括三轴加速度传感器、集成ZigBee模块以及传感器天线，所述三轴加速度传感器与集成ZigBee模块数据相接，所述集成ZigBee模块与传感器天线数据相接；
ZigBee无线网关，所述ZigBee无线网关包括网关天线、无线单片机、微控制器、Flash存储器、以太网控制器芯片，所述网关天线通过ZigBee网络与数据采集单元中的传感器天线数据相接，所述无线单片机与网关天线数据相接，所述微控制器控制连接无线单片机、以太网控制器芯片以及Flash存储器，所述以太网控制器芯片通过RJ45接口输出数据；
远程控制中心，所述远程控制中心通过以太网与ZigBee无线网关中的RJ45接口数据相接。
在检测系统的优选实例中，所述三轴加速度传感器采用MMA8452Q传感器。
进一步的，所述集成ZigBee模块采用CC2430模块。
进一步的，所述传感器天线与网关天线都是射频天线，采用2.4GHZ天线。
进一步的，所述每个三轴加速度传感器为一个传感器节点，分布的数个传感器节点构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，该网络拓扑结构采用星型或树型网络拓扑结构。
进一步的，所述ZigBee网络采用IEEE802.15.4。
进一步的，所述ZigBee无线网关中无线单片机采用内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的射频收发器的CC2430无线单片机，所述微控制器采用ARM核的AT91SAM9260微控制器，所述Flash存储器采用SST39VF160存储器，所述以太网控制器芯片采用DM9161芯片。
作为本发明的第二目的，基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
（1）三轴加速度传感器实时检测佩戴者在三个方位的加速度，并将检测到的加速度数据信号实时传至集成ZigBee模块；
（2）集成ZigBee模块接收三轴加速度传感器发送的加速度数据信号，并将加速度信号数据预处理成ZigBee协议格式的加速度数据信号，同时将ZigBee协议格式的加速度数据信号通过传感器天线发送至ZigBee网络；
（3）ZigBee无线网关中的网关天线从ZigBee网络实时获取ZigBee协议格式的加速度数据信号，并传至无线单片机；
（4）无线单片机将接收的数据进行预处理后传至微控制器；
（5）微控制器将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号转换成以太网协议格式的加速度数据，并将以太网协议格式的加速度数据传至以太网控制器芯片，同时将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号直接存储至Flash存储器；
（6）以太网控制器芯片将接收到的以太网协议格式的加速度数据通过其上的RJ45结构传至以太网；
（7）远程控制中心通过以太网获取以太网协议格式的加速度数据，并对该数据进行计算，根据计算结果判断佩戴者的人体姿态，若计算结果显示为摔倒状态，则发出警报；同时，远程控制中心还实时显示三轴加速度传感器的信息。
本发明提供的方案主要由数个基于ZigBee技术的三轴加速度传感器和ZigBee网关来实现，每个三轴加速度传感器为一个传感器节点，数个传感器节点分布于居民楼内需要监控的独居老人随身佩戴，执行老人在各个方向上加速度数据的采集、预处理、发送等工作。ZigBee网关具有ZigBee协调器和协议转换功能,将三轴加速度传感器节点ZigBee发送的ZigBee协议格式的数据转换成以太网协议格式的数据传输到控制中心主机。控制中心主机通过以太网与ZigBee网关通信,实时显示每个加速度传感器节点的信息，如果加速度数据分析出老人摔倒会立刻报警，通知小区保安及老人家属，以确保老人得到及时救助。
本发明提供的方案不仅实现成本低，而其能够实时精确的检测佩戴者的人体姿态，保证监控的正确性，避免误报或者不报，极大的保证佩戴者的安全。
再者，本发明中整个数据的采集和传输都基于ZigBee技术，有效的保证数据传输的稳定和可靠性，从而保证整个系统方案的稳定可靠性。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明中基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统的系统框图；
图2为本发明中数据采集单元的结构示意图；
图3为本发明中加速度传感器与集成ZigBee模块的实施例的连接结构图；
图4为本发明中的ZigBee无线网关结构示意图；
图5为本发明中数据采集单元与ZigBee无线网关的连接关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，其所示为本发明中人体姿态检测系统的系统框图。由图可知，本发明中的人体姿态检测系统100主要由数据采集单元101、ZigBee无线网关102以及远程控制中心103组成。
其中数据采集单元101用于实时采集佩戴者（即被监控者）的各方位的加速度数据，并将其传至ZigBee网络104。
参见图2，本发明中的数据采集单元101主要由加速度传感器101a、集成ZigBee模块101b以及传感器天线101c配合形成。
加速度传感器101a为三轴加速度传感器，用于采集佩戴者（即被监控者）在各个方向上的加速度数据。其具体采用MMA8452Q传感器，其工作电压为1.6～3.6V，可测加速度范围为±2g。
对于MMA8452Q传感器，其为一款低成本、低功耗的电容式三轴加速度传感器。该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并提供了四种加速度测量范围，分别为：±2g、±4g、±6g和±8g。其采用3mm×3mm×1mm QFN的封装，体积超小，只需很小的板卡空间．而且，MMA8452Q提供休眠模式，是电池充电的手持设备产品的理想之选．它具有三轴向检测功能，使便携式设备能够智能地回应位置、方位和移动的变化。
基于MMA8452Q传感器可准确测量三轴低量级下降、倾斜、移动、定位、撞击和震动，本发明采用其来测量人身体活动时三维的加速度信号。
集成ZigBee模块101b，其与加速度传感器101a采用两条串行线连接进行数据通信，将三轴加速度传感器采集的加速度信号预处理成ZigBee协议格式的加速度数据。
在本发明中，集成ZigBee模块101b采用MCU及无线通信单元模块，选用无线SOC片上系统CC2430芯片。
其中，CC2430芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（高性能和低功耗的8051微控制器核），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watching timer）、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（Brown out detection），以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产；在接受和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
参见图3，由MMA8452Q传感器构成的三轴加速度传感器与CC2430芯片构成的集成ZigBee模块具体连接时，三轴加速度传感器（MMA8452Q）101a采用两条串行线DATA和SCK与集成ZigBee模块101b（CC2430微处理器）进行数据通信。其中用SCK数据线负责CC2430和MMA8452Q的通讯同步；用DATA三态门作为数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个10kΩ的外部上拉电阻R将信号提拉至高电平。本实施例中CC2430的引脚P1.0用于SCK数据线，引脚P1.1用于DATA。
传感器天线101c，其与集成ZigBee模块101b连接，将由集成ZigBee模块101b转换形成的ZigBee协议格式的加速度数据发送至ZigBee网络104，本实施例的传感器天线101c为射频（RF）天线，采用2.4GHZ的PCB天线。
由此形成的数据采集单元101具备对加速度数据的采集、预处理及发送的功能。在具体实施时，可将每个数据采集单元101可作为一个传感器节点，数个传感器节点构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，该网络拓扑结构采用星型或树型网络拓扑结构。各传感器节点执行加速度数据的采集及预处理，将采集到的加速度数据预处理成ZigBee协议格式的加速度数据，并通过传感器天线101c发送该ZigBee协议格式的加速度数据。
由于传感器网络结构不是以一个独立的通信网络形式存在，网络中监测的加速度数据需要发送到控制中心主机进行分析和显示，这就需要实现ZigBee无线监测网络与以太网的互联。
本发明中的ZigBee无线网关102用于实现ZigBee网络和以太网的协议转换，其能够从ZigBee网络104中接收ZigBee协议格式的加速度数据将其转换成以太网协议格式的加速度数据，并发送至以太网105。
参见图4，ZigBee无线网关102主要由网关天线102a、无线单片机102b、微控制器102c、Flash存储器102d以及以太网控制器芯片102e相互配合组成。
其中，网关天线102a，其为射频天线，采用2.4GHZ天线，用于从ZigBee网络104中接收ZigBee协议格式的加速度数据。
如图5所示，网关天线102a通过ZigBee网络104接收各个数据采集单元101通过其上传感器天线101c发送的ZigBee协议格式的加速度数据，即布置在被监测的机柜内的三轴加速度传感器节点通过传感器天线及ZigBee网络将数据发送到ZigBee无线网关，本实施例中的ZigBee网络104采用IEEE802.15.4。
无线单片机102b，与网关天线120a通过数据线进行双向连接，本实施例中，采用内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的射频(RF)收发器的CC2430无线单片机，接收网关天线102a收到的ZigBee协议格式的加速度数据。
微控制器102c，为ZigBee无线网关102中数据处理单元，其与无线单片机102b通过数据线进行双向连接，并同时通过数据线双向连接Flash存储器102d以及以太网控制器芯片102e。微控制器102c将无线单片机102b转发的ZigBee协议格式的加速度数据转换成以太网协议格式的加速度数据，并将以太网协议格式的加速度数据传至以太网控制器芯片102e，同时将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号直接存储至Flash存储器102d中。
本实施例中，微控制器102c采用ARM核的AT91SAM9260微控制器，AT91SAM9260基于ARM926EJ-S处理器，具备8KB指令以及8KB数据缓存，在190MHz时钟频率下运行时性能可达210MIPS，该产品包含了8KBSRAM以及32KB ROM，在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问，该产品使接口与片上、片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高水平。
Flash存储器102d用于实时储存ZigBee协议格式的加速度数据。由于AT91SAM9260微控制器没有内嵌入Flash存储器，所以本实例在外部扩展一个Flash存储器，其与AT91SAM9260微控制器双向连接，具体可采用SST39VF160存储器。
以太网控制器芯片102e，其与微控制器102c双向连接，其用于将微控制器102c换成的以太网协议格式的加速度数据通过RJ45接口输出，RJ45接口是连接网线的物理接口。
在本实施例中，以太网控制器芯片102e具体采用DM9161芯片，DM9161是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网PHY，是采用较小工艺0.25um的10/100M自适应的以太网收发器。
远程控制中心103，为整个系统的数据处理中心。其具体为一具有强大计算及远程警报的计算机服务系统。其通过以太网105传输接收ZigBee网关102输出的以太网协议格式的加速度数据，远程控制中心103会对接收到的加速度数据进行计算以此判断每个加速度传感器节点所对应佩戴者（即被监控者）的人体状态，若出现跌倒等情况，将发出警报通知相关人员进行救护，同时每个加速度传感器节点的信息将会由远程控制中心103进行实时显示。
在具体实施时，每一个加速度传感器101会周期性地将加速度数据通过ZigBee网络104块发送到ZigBee网关102，最终显示于远程控制中心103，如果加速度超出指标会立刻报警，通知相关人员，保证被监护人的人生安全。
以下通过一具体实例来进一步说明本发明中人体姿态检测系统的检测过程。
参见图1，本实例中利用本系统对一栋居民楼的老人进行实施体态的远程监控，确保老人在跌倒时能够及时发出警报。
若干居民楼200内有数个独居老人201,202，…，20n。对于每个独居老人201,202，…，20n分别佩戴上系统中的数据采集单元101。数个带有集成ZigBee模块的数据采集单元101作为一个传感器节点，这样居民楼200的若干传感器节点将构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，在居民楼200范围内（如半径约1000m范围内）的数个传感器节点（即数据采集单元）可组成一个单独网络，每个网络装备一个ZigBee无线网关102。
首先，平时，每个老人佩戴的数据采集单元中的三轴加速度传感器实时检测佩戴者在三个方位的加速度，并将检测到的加速度数据信号实时传至数据采集单元中的集成ZigBee模块。
接着，数据采集单元中中的集成ZigBee模块接收三轴加速度传感器发送的加速度数据信号，并将加速度信号数据预处理成ZigBee协议格式的加速度数据信号，同时将ZigBee协议格式的加速度数据信号通过传感器天线发送至ZigBee网络。
接着，ZigBee无线网关中的网关天线从ZigBee网络实时获取ZigBee协议格式的加速度数据信号，并传至无线单片机。
接着，无线单片机将接收的数据进行预处理后传至微控制器；
接着，微控制器将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号转换成以太网协议格式的加速度数据，并将以太网协议格式的加速度数据传至以太网控制器芯片，同时将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号直接存储至Flash存储器；
接着，以太网控制器芯片将接收到的以太网协议格式的加速度数据通过其上的RJ45结构传至以太网；
最后，远程控制中心通过以太网获取以太网协议格式的加速度数据，并对该数据进行计算，根据计算结果判断佩戴者的人体姿态，若根据某个数据采集单元发送的加速度数据计算得到结果显示为佩戴的独居老人为摔倒状态，则向该独居老人的监护人（居委会相关人员或者子女）发出短信警报，告知此时该名老人处于摔倒状态，请尽快给予救护。同时，远程控制中心还实时显示每个数据采集单元中三轴加速度传感器的信息。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：
数据采集单元，所述数据采集单元包括三轴加速度传感器、集成ZigBee模块以及传感器天线，所述三轴加速度传感器与集成ZigBee模块数据相接，所述集成ZigBee模块与传感器天线数据相接；
ZigBee无线网关，所述ZigBee无线网关包括网关天线、无线单片机、微控制器、Flash存储器、以太网控制器芯片，所述网关天线通过ZigBee网络与数据采集单元中的传感器天线数据相接，所述无线单片机与网关天线数据相接，所述微控制器控制连接无线单片机、以太网控制器芯片以及Flash存储器，所述以太网控制器芯片通过RJ45接口输出数据；
远程控制中心，所述远程控制中心通过以太网与ZigBee无线网关中的RJ45接口数据相接。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述三轴加速度传感器采用MMA8452Q传感器。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述集成ZigBee模块采用CC2430模块。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述传感器天线与网关天线都是射频天线，采用2.4GHZ天线。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述每个三轴加速度传感器为一个传感器节点，分布的数个传感器节点构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，该网络拓扑结构采用星型或树型网络拓扑结构。
6.根据权利要求1所述的基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述ZigBee网络采用IEEE802.15.4。
7.根据权利要求1所述的基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统，其特征在于，所述ZigBee无线网关中无线单片机采用内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的射频收发器的CC2430无线单片机，所述微控制器采用ARM核的AT91SAM9260微控制器，所述Flash存储器采用SST39VF160存储器，所述以太网控制器芯片采用DM9161芯片。
8.基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：
（1）三轴加速度传感器实时检测佩戴者在三个方位的加速度，并将检测到的加速度数据信号实时传至集成ZigBee模块；
（2）集成ZigBee模块接收三轴加速度传感器发送的加速度数据信号，并将加速度信号数据预处理成ZigBee协议格式的加速度数据信号，同时将ZigBee协议格式的加速度数据信号通过传感器天线发送至ZigBee网络；
（3）ZigBee无线网关中的网关天线从ZigBee网络实时获取ZigBee协议格式的加速度数据信号，并传至无线单片机；
（4）无线单片机将接收的数据进行预处理后传至微控制器；
（5）微控制器将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号转换成以太网协议格式的加速度数据，并将以太网协议格式的加速度数据传至以太网控制器芯片，同时将接收到的ZigBee协议格式的加速度数据信号直接存储至Flash存储器；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20160622 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |