CN103903390A - 可定位的穿戴式跌倒监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于人生安全监测技术领域，具体为一种可定位的穿戴式跌倒监测系统。本发明系统包括：ZigBee网络、GSM/GPS网络和上位机及其软件；加速度传感器，GSM/GPS定位和通信装置由被测者随身携带；定位装置通过GPS定位，并通过GPRS实时的将位置信息发送给上位机，传感器测出三轴加速度信息，通过ZigBee网络发送给上位机进行处理，上位机软件对加速度信息进行分析，根据相应算法判别被测者是否跌倒，如果跌倒在上位机上会予以警示并发送短信给指定联系人报警，在收到报警短信后，可以向指定号码发送特定的短信来获取被测者当前的位置信息。

Description

可定位的穿戴式跌倒监测系统

技术领域

本发明属于人生安全监测技术领域，具体涉及一种可穿戴的监测人体跌倒并且定位报警的监测系统。

背景技术

随着现代信息技术的进步，特别是无线通信技术和低功耗的微电子技术的发展，使得随身携带的监测设备成为可能。低功耗的特点使得监测设备可以进行长时间的监控，而无线通讯技术可以使得监测设备能在远距离的范围内使用。本发明所做出的监测系统是一个基于GSM、GPS和ZigBee技术的跌倒监测系统，被测者随身携带传感器、定位和通信装置，定位装置通过GPS定位，并通过GPRS实时的将位置信息发送给上位机，传感器测出其三轴加速度信息，通过ZigBee网络发送给上位机进行处理，上位机软件对加速度信息进行分析，根据相应算法判别被测者是否跌倒，如果跌倒在上位机上会予以警示并发送短信给指定联系人报警，在收到报警短信后，可以向指定号码发送特定的短信来获取被测者当前的位置信息。本系统主要涉及3个技术，分别为GSM、GPS和ZigBee。

GSM（Global System For Mobile Communication）是欧洲标准化委员会在1992年推出的标准，用以规范移动通信采用数字通信技术，使用统一的网络标准，使得通信质量得到保障，并且开发出许多的新业务供用户使用。它的空中接口采用时分多址技术（TDMA），即将时间分成周期性的帧，每一帧分割为若干时隙，每一个时隙就是一个信道，根据一定的分频原则，各个移动台在指定的时隙向基站发射信号，因此各个移动台发射的信号是不连续的，是一种突发脉冲。在满足同步和定时两个条件下，基站按照顺序在各个时隙中接收到的各个移动台发来的突发脉冲进行处理再依次转发出去，同时基站发向各个移动台的信号也是按顺序安排在预定的时隙中，而各个移动台在所指定的时隙内接收相应的信号，这样就能够在各路信号中把信号区分开。GSM自90年代的中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用，GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场的80%以上。它分为GSM900和DS1800两个频段，就是我们平常讲的双频网络，它们都是GSM标准，功能相同，主要是频率不同[12]。GSM900工作在900MHz，双工间隔为45MHz，有效带宽为25MHz，有124个载频，每个载频8个信道；DSC1800工作在1800MHz，双工间隔为95MHz，有效带宽为75MHz，有374个载频，每个载频8个信道。GPRS是GSM的一种数据业务, GPRS是通用分组无线服务（General Packet Radio Service）的简称，是GSM标准可用的一种数据业务，它通常被描述为2.5G，即处于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它利用GSM网络中没有使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。它利用存储转发的原理，把不同终端的数据分割为等长度的标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息分为数据组或者信息包，再加上目的地地址、分组编号、控制比特等分组头，沿不同的路由进行传输，接收端再根据分组编号重新组装原始信息。

GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称，含义是，利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS系统是由美国国防部的海陆空三军在70年代联合研制的卫星导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时功能，为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS提供了P码和C/A码两种定位服务，P码为军方服务，定位精度可达3米，C/A码对社会开放，定位精度为14米。处于安全考虑，美国在C/A码中引入了人为误差，使得定位精度下降到100米。

在2000年12月，IEEE成立了802.15.4工作组，工作组致力于定义一种廉价的固定、便携设备能使用的低复杂度、低成本、低功耗的无线网络连接技术，而这种技术的商业化命名就是ZigBee，命名来源于蜜蜂在花丛中ZigZag行舞蹈。可以说ZigBee技术是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可定位的穿戴式跌倒监测系统，以便能够及时的监测到人体的跌倒并且给指定联系人报警并告知跌倒的地理位置，使得跌倒人及时得到救助，避免更严重的后果。

本发明提供的可定为的穿戴式跌倒监测系统，是基于GSM、GPS和ZigBee技术的，它是以人体的三轴加速度信号为监测对象，用ZigBee进行传输，以GPS来辅助定位，依托GSM发送位置及报警信息，用PC机来判别跌倒。系统主要由三个部分组成：ZigBee网络、GSM/GPS网络和上位机及其软件。ZigBee网络主要包括一个协调器节点和多个终端（加速度传感器节点）；GSM/GPS网络（定位、通信模块）主要包括GSM模块（如SIM300）、GPS模块（如ublox NEO）和双串口MCU （如STC12C5A60S2）；上位机采用PC机，软件主要包括数据处理软件（即算法软件）及报警软件和地图定位软件。系统的总体设计如图1所示。其中，加速度传感器，GSM/GPS定位和通信模块由被测者随身携带。

系统中，终端即加速度传感器节点用于测量人的三轴加速度，所得的数据通过ZigBee网络传输到协调器节点，协调器节点通过RS232串口传给上位机；GPS模块实时进行位置定位，位置信息存储在MCU中并进行解析，再通过GPRS网络传给上位机；GSM模块在收到位置请求短信后，将MCU中存储的当前位置信息回复给发信人；PC机中的上位机软件通过串口接收三轴加速度信息，通过Internet接收GPRS网络传来的位置信息，并通过地图定位软件进行定位，实时地通过算法软件对三轴加速度信息进行跌倒判断，如果判定发生跌倒，则由报警软件发送报警短信给指定联系人。

本文所设计的是基于GSM、GPS和ZigBee技术的可定位的穿戴式跌倒监测系统（整个示意图如图2），相比目前现有的视频监测系统，扩大了人的范围并且不会侵犯人的隐私。而相比于外界设备监测系统，在保持判断准确性的基础上，扩大了活动范围，减少了监测节点，节约了成本。同时，与单一的跌倒监测系统相比，加入了GSM通信和GPS定位的功能，这样跌倒报警可以利用GSM网络通知携带有手机的医护人员或者亲人，无论他们在什么地方，只要在GSM网络覆盖范围内，并且能够通过GPS定位并用GPRS传送位置信息给监控中心的上位机，监控中心的医护人员可以实时得知其地理位置，同时如果在外的医护人员或者亲人还能通过发送短信来查询跌倒的位置方便及时救助。在上位机软件上，不仅具有对加速度信息进行处理判断跌倒的功能，还有跌倒发短信报警功能。

附图说明

图1为本发明的系统总体框图。

图2系统示意图。

图3为MCU控制GSM/GPS芯片示意图。

图4 为协调器、传感器节点工作流程图。

图5 为MCU程序结构图。

图6 为跌倒算法判定流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明整体的组成和功能进一步详细说明。

系统的硬件主要包括基于ZigBee通信模块的开发平台、加速度传感器、基于GSM/GPS通信模块的开发平台。

ZigBee开发平台可选用深圳飞比公司推出的FB2530RF模块及其开发套件，包括FB2530RF型ZigBee无线通信模块、协调器I/O扩展板、加速度传感器节点扩展板以及下载器、液晶显示屏等配套设备。将RF发射模块插入扩展板就可以搭成一个节点，包括协调器节点、加速度传感器节点。

加速度传感器是一种测量加速度的电子设备，通常有两种，一种是角加速度计，如陀螺仪，多用于手机、平板电脑等；另一种是线加速度计，通常用于各种监控传感器，其基本原理是由于加速度产生某种介质的形变，通过测量器形变程度并用电路转换为电压输出。对于本系统所用的加速度传感器，由于是要监测人的三轴加速度，所以选用线加速度传感器。最终本系统选择了FB275TSBV加速度传感器，它是一个超低功耗三轴加速度传感器，分辨率为13位，测量范围为± 16g。数据输出为16位二进制补码，可通过I2C或者SPI接口访问。

GSM/GPS通信模块开发平台包括双串口MCU（如 STC12C5A60S2）、GSM芯片（如SIM300）、GPS芯片（如ublox NEO）、液晶屏（如NOKIA5110）、SIM卡槽以及相关的外围电路和芯片。其中，MCU通过两个通用全双工异步串行口（UART）分别与GSM芯片（如SIM300）、GPS芯片（如ublox NEO）连接（调试时可将一个串口与PC机连接），如图3。

整个系统的软件设计主要包括三部分，分别是ZigBee网络及数据传输、MCU控制GSM/GPS处理信息及传输、上位机软件。

ZigBee网络及数据传输包括信号读取/转换和无线传输两个部分，主要是在ZigBee协议栈的基础上开发的。Z-Stack是TI公司开发的ZigBee协议栈，是帮助程序员开发ZigBee的一套系统，它采用轮转查询式操作系统，主要包括两个流程：系统初始化和执行操作系统。系统初始化完成后就进入了执行操作系统，并且是一个死循环，执行操作系统中主函数即是轮循式操作系统的主题部分，也是我们调用的部分。正是由于这种机制，当初始化完成之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时唤醒系统，进入中断处理事件，结束后继续进行低功耗模式；如果同时有多个事件发生，则判断其优先级，逐次处理事件，这样可以极大的降低系统功耗。信号采集是利用开发板中的模数转换器，以一定频率采集加速度传感器传输的数据，再将模拟量转换为数字量存储在内存中。信号在每次发送时会进行一次采样，设置发送的频率即采样频率为 4HZ（采样周期250毫秒）。数据无线传输是利用协议栈中的相关函数，具体流程图如图4。所有的绑定信息都在协调器中，只有协调器才能接受绑定请求，确认绑定后协调器与加速度传感器之间就可以互相接受信息。

MCU控制GSM/GPS处理信息及传输这一部分主要是根据GSM芯片（如SIM300）集成的AT指令集和GPS芯片（如Ublox NEO）发送的位置信息数据格式，利用MCU的两个行口（UART）进行发送命令接收返回值和数据来执行整个系统功能。

上位机软件主要是对ZigBee协调器通过串口传来的三轴加速度信息进行直观显示和处理，利用算法进行判断跌倒；对GPRS发来的定位信息在地图定位软件中进行位置定位。用VB进行设计，界面中可以设置串口的端口号、报警阈值和数据保存。下面的窗口为数据显示，分别由节点的序号、短地址、电源电压值、三轴的实时加速度、数据更新实际、根据算法判断的跌倒状态。其中三轴加速度的获取是利用VB里面的串口插件MSComm，这个插件提供了Windows操作系统和外设通过串口进行通信的API函数，只需要调用这个插件，设置端口号、波特率、数据位和停止位等信息就可以进行串口通信，再将串口得到的数据保存在VB数组中，就可以对数据进行进一步处理了。这是在网上下载的一个程序，他通过对IP和端口的监听来获取数据并且自动定位。在输入相应的IP地址和端口后，开始监听，就能收到定位数据，目前的经度纬度和时间显示在右边空白处，而经纬度对应的Google地图位置显示左边，最下面显示的是收到的定位数据以及收到的时间。

根据反复实验的结果，本发明研究出一个判断跌倒的算法，算法的流程图如图6，具体为：

首先，在上位机根据实验数据设定几个判断阈值：Z轴加速度的上、下限阈值，X轴加速度和Y轴加速度的平方和的阈值，Z轴加速度变化量总和的阈值；

然后，读取加速度传感器传来的数据，如果数据中，Z轴的加速度大于上限阈值或者小于下限阈值，则可能危险，进入下一个判断，反之，则安全；

然后，进一步判断X轴加速度和Y轴加速度的平方和是否大于设定的阈值，如果不大于阈值，则为安全；如果大于阈值，则继续求得短时间内Z轴加速度的变化量总和；

最后，再判断这一总和是否大于设定的阈值，如果大于阈值则最终显示危险，如果不大于阈值则为安全。

这一算法可以判别出跌倒，并且不受日常活动的干扰，如走路、慢跑、坐下、起身、原地跳跃、弯腰、下蹲、站起、躺下。

工作时，正常的步骤如下：

步骤1：由于工作环境处于TP-LINK无线路由器建立的WiFi局域网中，所以在获取GPRS传到公网地址的数据时，需要在路由器中设置转发规则，即在局域网中将指定端口的数据传送到指定的局域网地址。比如当前本机的内网IP是172.16.0.100，将1088端口的数据映射到172.16.0.100的地址。找到路由器公网的IP地址。

步骤2：启动GSM/GPS模块。启动成功，并且成功定位，经纬度为31.11.35；121.35.20，GPRS与路由器的公网IP，122.84.125.106，建立连接。

步骤3：启动ZigBee模块，并且打开上位机软件，整个系统就可以顺利工作，发生跌倒时的界面中可以看到短地址不同的两个监测节点传回的三轴加速度数据以及数据的更新时间，同时可以看到目前跌倒的状态，右边是实时的位置信息在地图中的显示。判断出跌倒以后，随后会发出报警短信，收到的报警短信。

步骤4：发一条询问位置信息的短信给指定号码，就会返回当前的位置信息，如Lat：XX.XX.XX, Lon:XX.XX.XX，分别是纬度和经度。

Claims (2)

1. 可定位的穿戴式跌倒监测系统，是基于GSM、GPS和ZigBee技术的，其特征在于它以人体的三轴加速度信号为监测对象，用ZigBee进行传输，以GPS来辅助定位，依托GSM发送位置及报警信息，用PC机来判别跌倒；主要由下述三个部分组成：ZigBee网络、GSM/GPS网络和上位机及其软件；其中，ZigBee网络主要包括一个协调器节点和多个终端即加速度传感器节点；GSM/GPS网络主要包括GSM模块、GPS模块和双串口MCU；上位机采用PC机，上位机软件主要包括数据处理即算法软件及报警软件和地图定位软件；  

所述加速度传感器节点用于测量人的三轴加速度，所得的数据通过ZigBee网络传输到协调器节点，协调器节点通过RS232串口传给上位机；GPS模块实时进行位置定位，位置信息存储在MCU中并进行解析，再通过GPRS网络传给上位机；GSM模块在收到位置请求短信后，将MCU中存储的当前位置信息回复给发信人；PC机中的上位机软件通过串口接收三轴加速度信息，通过Internet接收GPRS网络传来的位置信息，并通过地图定位软件进行定位，实时地通过算法软件对三轴加速度信息进行跌倒判断，如果判定发生跌倒，则由报警软件发送报警短信给指定联系人。

2. 根据权利要求1所述的可定位的穿戴式跌倒监测系统，其特征在于所述算法软件  判断跌倒的流程为：

首先，在上位机根据实验数据设定几个判断阈值：Z轴加速度的上、下限阈值，X轴加速度和Y轴加速度的平方和的阈值，Z轴加速度变化量总和的阈值；

然后，读取加速度传感器传来的数据，如果数据中，Z轴的加速度大于上限阈值或者小于下限阈值，则可能危险，进入下一个判断，反之，则安全；

然后，进一步判断X轴加速度和Y轴加速度的平方和是否大于设定的阈值，如果不大于阈值，则为安全；如果大于阈值，则继续求得短时间内Z轴加速度的变化量总和；

最后，再判断这一总和是否大于设定的阈值，如果大于阈值则最终显示危险，如果不大于阈值则为安全。

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