CN104821061A - 一种可穿戴跌倒预警系统及其使用方法 - Google Patents

一种可穿戴跌倒预警系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴跌倒预警系统及其使用方法，包括嵌入式信息采集装置、腕表显示及报警装置和监护终端，嵌入式信息采集装置包括第一嵌入式信息采集装置和第二嵌入式信息采集装置；各个嵌入式信息采集装置包括电源、压力传感器、加速度传感器、响应振子、数据处理单元和Zigbee通信节点。本发明综合分析左右两脚的不同信号，排除了个人在日常活动中诸如翘腿、依靠等特殊动作对跌倒判断的影响，解决了每个人行走习惯与生活方式的不同极大地影响了跌倒判断的准确率的问题，提高了跌倒判断的准确性和可靠性。

Description

一种可穿戴跌倒预警系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种人体日常行为信息采集系统，尤其涉及一种可穿戴跌倒预警系统及其使用方法。
背景技术
现有技术中，由于老年人机体功能随年龄的衰退，且受到慢性疾病的影响，跌倒已成为全球老年人主要伤害问题。据调查老年人因伤就诊病例中，一半以上为跌倒病例；因伤住院病例中，超过80%为跌倒病例。且跌倒的发生会引起骨折、脑损伤等严重伤害，降低受损者的活动能力并可导致严重的心理、生理或社会功能障碍，是老年人群伤残、死亡和经济负担加重的主要原因。此外，意外伤害已被国际学术界确认为21世纪儿童重要的安全问题。在我国，意外伤害是儿童死亡首位原因。若在紧急情况发生后，能够第一时间告知他人寻求帮助，则可大大降低老年人、儿童及户外运动人群的伤亡情况。此外步行能降低血压；增强肌肉力量，预防骨质疏松症；能促进全身血液循环，改善大脑与植物神经功能，预防老年痴呆症。老年人机体功能下降，若能了解自己每天运动的步数，则有利于监督每天的运动，实时调控运动计划，有助于身体健康。
现有解决跌倒问题的技术基本都是基于传感模块的可穿戴的监测装置，跌倒事件由采集加速度、角速度的变化来判断被监测对象是否跌倒。但现有都使用单一信号来判断跌倒事件的发生，由于每个人行走习惯与生活方式的不同极大地影响了跌倒判断的准确率；且无法综合分析左右两脚的不同信号，因此无法排除个人在日常活动中诸如翘腿、依靠等特殊动作对跌倒判断的影响。
本领域中跌倒检测常用的技术有以下几种：
中国发明专利CN103961108A公开了一种利用视频信号进行跌倒侦测的方法，此发明基于音频、视频信号的分析，通过安装耳机或摄像头来监测对象，跌倒事件由分析声音或者画面异常判定被监测对象是否跌倒。但此方法资金投入大，安装复杂，无法保障使用者的个人隐私。
中国发明专利CN103610466A公开了一种基于 EMD 排列组合熵的肌电信号跌倒识别方法，此发明是基于表面肌电信号或热释电红外信号的分析，跌倒事件由测量动作模式，通过数据运算判断被监测对象是否跌倒。但是此方法对环境要求很高，适应性、通用性差，且需要进行复杂运算，不适合日常使用。
中国发明专利CN103903390A 公开了一种可定位的穿戴式跌倒监测系统，其利用Zigbee完成远距离的信号传输，但Zigbee传输距离是指在空旷、无阻隔、无干扰情况下的传输距离，现代生活中存在楼宇及树木的阻隔以及无线信号的干扰，无法实现远距离信号传输，因此此技术方案并不适用于生活中的推广使用。
此外对于人体运动计步多采用震动传感器，无法准确采集信号，因此记步准确率低。
因此，发明一种多功能、结构简单、穿戴方便、低功耗且跌倒识别效果好的可穿戴跌倒预警系统具有积极的现实意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种多功能、结构简单、穿戴方便、低功耗且跌倒识别效果好的可穿戴跌倒预警系统及其使用方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种可穿戴跌倒预警系统，包括嵌入式信息采集装置、腕表显示及报警装置和监护终端，所述嵌入式信息采集装置包括第一嵌入式信息采集装置和第二嵌入式信息采集装置；各个嵌入式信息采集装置包括电源、压力传感器、加速度传感器、响应振子、数据处理单元和Zigbee通信节点，所述压力传感器的输出端和所述加速度传感器的输出端分别与所述数据处理单元的输入端电连接，所述Zigbee通信节点的输入端和响应振子的输入端分别与所述数据处理单元的输出端电连接；
所述腕表显示及报警装置包括电源、响应器、Zigbee协调器节点、中央数据处理单元、液晶显示模块和无线通信模块，所述Zigbee协调器节点的输出端与所述中央数据处理单元的输入端电连接，所述响应器、所述液晶显示模块和所述无线通信模块的输入端分别与所述数据处理单元的输出端电连接；
所述Zigbee通信节点和Zigbee协调器节点构成Zigbee无线通信网络，所述腕表显示及报警装置经无线通信模块与所述监护终端构成无线通信网络。
优选地，所述腕表显示及报警装置还设有脉搏测量器、时钟和迅速报警按键，所述脉搏测量器和时钟的输入端分别与所述中央数据处理单元的输出端电连接，所述迅速报警按键的输出端与所述无线通信模块的输入端连接。
优选地，所述中央数据处理单元为 ARM11 架构的S3C6410 芯片，其通过RS232 通讯接口与所述Zigbee 协调器节点的输出端电连接。
优选地，所述响应器为蜂鸣器。
优选地，所述中央数据处理单元还设有信号计数器、计步计数器和计步清零键,所述嵌入式信息采集装置还设有响应振子，所述响应振子的输入端与数据处理单元的输出端电连接。
优选地，所述无线通信模块为wifi或gsm无线通讯模块。
优选地，所述监控终端为PC机或移动手机终端。
一种可穿戴跌倒预警系统使用方法，包括如下步骤：
（1）嵌入式信息采集装置采集信息：第一嵌入式信息采集装置中的压力传感器根据人体行走时脚跟的抬起与落下采集左脚的压力信号，加速度传感器根据人体行走时双脚的角速度采集人体左脚与地面之间的方向信号，第二嵌入式信息采集装置中的压力传感器根据人体行走时脚跟的抬起与落下采集右脚的压力信号，加速度传感器根据人体行走时双脚的角速度采集人体右脚与地面之间的方向信号；
（2）嵌入式信息采集装置的判断与输出：数据处理单元判断如果方向信号超出设定的阈值则输出异常方向信号，如果方向信号没有超出设定的阈值则输出正常方向信号；如果压力信号低于设定的阈值则输出异常压力信号，如果压力信号没有低于设定的阈值则输出正常压力信号，数据处理单元将处理的信号传给Zigbee通信节点，Zigbee通信节点将收到信号传给腕表显示及报警装置；
（3）腕表显示及报警装置判断信号：腕表显示及报警装置中的Zigbee协调器节点接收到嵌入式信息采集装置的信号后将其传给中央数据处理单元，中央数据处理单元判断两个方向信号，若它们至少有一个正常方向信号则返回步骤（1），若它们均为异常方向信号则继续判断两个压力信号，若两个压力信号中没有异常压力信号，则返回步骤（1），若两个压力信号中至少有一个异常压力信号，则判断使用者跌倒并发出报警信号，中央数据处理单元将报警信号传给响应器提醒使用者，同时将报警信号传给液晶显示模块并在液晶显示模块上显示报警状态，还将报警信号通过无线通讯模块发给监护终端，监护终端会立即通知附近工作人员前去救助，并将报警信息发送给需要救助者的紧急联系人。
上述技术方案中，所述中央数据处理单元设置有信号计数器，信号计数器将采集到的两个均超出阈值的方向信号视为一个跌倒信号，当采集到一个跌倒信号时，信号计数器加1，响应振子震动提醒使用者即将报警，若此时为误报警则使用者双脚着地，取消报警；若并非误报警，则继续采集方向信号给信号计数器，当信号计数器中连续采集到3个跌倒信号则即可报警。
上述技术方案中，所述腕表显示及报警装置设有迅速报警按键，迅速报警按键的输入端与中央数据处理单元的输出端电连接，使用者按下迅速报警按键自助报警时，中央数据处理单元接收到迅速报警按键的报警信号后无需判断，直接将报警信号传给响应器来提醒使用者，同时将报警信号传给液晶显示模块并在液晶显示模块上显示报警状态，还将报警信号通过无线通信模块发给监护终端，监护终端会立即通知附近工作人员前去救助，并将报警信息发送给需要救助者的紧急联系人。
上文中，第一嵌入式信息采集装置设置在人体左脚的鞋垫的脚跟处，第二嵌入式信息采集装置设置在人体右脚的鞋垫脚跟处，由于每个人的行走习惯不同，人体在正常行走时，脚跟与地面的倾角会维持在±15°范围之内，所以方向信号的阈值设定为±15°，当跌倒发生时，方向信号会超出此阈值；其次，尽管跌倒的姿势会各有不同，但跌倒时人体与鞋垫间的压力将低于嵌入式信息采集装置的最大采集压力的50%，所以压力信号的阈值设定为最大采集压力的50%。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明采用可嵌入式信息采集装置、腕表显示及报警装置和监护终端三个部分，嵌入式信息采集装置和腕表显示报警装置之间通过Zigbee无线通信网络进行近距离低功耗的数据传输，腕表显示及报警装置和监护终端之间利用无线通信网络进行远距离数据传输，监护终端在收到报警后进行紧急处理，从而形成了一个完整的监护系统。
2.本发明综合分析左右两脚的不同信号，排除了个人在日常活动中诸如翘腿、依靠等特殊动作对跌倒判断的影响，解决了每个人行走习惯与生活方式的不同极大地影响了跌倒判断的准确率的问题，提高了跌倒判断的准确性和可靠性。
3.本发明不仅可以进行跌倒预警，也可以实现运动计步和运动距离记录与显示的功能，还增加实时监测体表特征的功能，使得人体运动及跌倒检测朝着穿戴式智能化方向发展。
4.本发明对环境的要求较低，适应性高，通用性高，无需进行复杂的运算，使用时只需将嵌入式信息采集装置嵌入鞋垫脚跟部，手腕上穿戴腕表显示及报警装置，适合日常使用且有利于身体健康。
附图说明
图1是本发明实施例一可穿戴跌倒预警系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一的工作框图；
图3是本发明的实施例一使用方法判断流程图；
图4是实施例一运动计步及清零方法的流程图。
其中：1、第一嵌入式信息采集装置；2、第二嵌入式信息采集装置；3、腕表显示及报警装置；4、监护终端。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种可穿戴人体跌倒预警系统，包括分别嵌入在两脚鞋垫中脚跟部位的第一嵌入式信息采集装置1和第二嵌入式信息采集装置2、腕表显示及报警装置3和监护终端4。其中，各个嵌入式信息采集装置均包括电源、压力传感器、加速度传感器、响应振子、数据处理单元和Zigbee通信节点，压力传感器的输出端和加速度传感器的输出端分别与数据处理单元的输入端电连接，Zigbee通信节点的输入端和响应振子的输入端分别与数据处理单元的输出端电连接；
腕表显示及报警装置3由电源、Zigbee协调器节点、中央数据处理单元、蜂鸣器、脉搏测量器、时钟、液晶显示模块和无线通信模块构成（无线通讯模块可采用wifi或gsm无线通讯模块），中央数据处理单元为 ARM11 架构的S3C6410 芯片，其通过RS232 通讯接口与Zigbee 协调器节点进行数据交换，蜂鸣器、液晶显示模块、脉搏测量器、时钟和无线通信模块的输入端分别与中央数据处理单元的输出端电连接；
监护终端4为pc机或移动手机终端，Zigbee通信节点和Zigbee协调器节点构成Zigbee无线通信网络，腕表显示及报警装置3经无线通信模块与监护终端4构成无线通信网络。当腕表显示及报警装置3中的Zigbee协调器节点建立通信网络之后，第一嵌入式信息采集装置1中的Zigbee通信节点和第二嵌入式信息采集装置2中的Zigbee通信节点均加入Zigbee协调器节点所建立的无线通信网络中，这样第一嵌入式信息采集装置中的Zigbee通信节点和第二嵌入式信息采集装置的Zigbee通信节点均可发送数据到Zigbee协调器节点。
Zigbee数据传输模块优先使用CC2530型号的Zigbee模块，其有2个支持多种串行通信协议的USART，可靠、传输距离远，功耗低，且内部的8051微控制器内核也可作为数据处理单元使用。
如图2所示，第一嵌入式信息采集装置1和第二嵌入式信息采集装置2完成压力信号和方向信号的采集和初步判断后，将数据传输给腕表式显示计步报警装置3，腕表式显示计步报警装置3对接收的数据进行分析并通过液晶显示模块显示，同时进行跌倒的判断。若判断为跌倒，则通过无线通讯模块向监护终端4发出报警信号，监护终端4接收到报警信号后会立即通知附近工作人员前去救助，并将报警信息发送给需要救助者的紧急联系人。
如图3所示，一种可穿戴跌倒预警系统使用方法，包括如下步骤：
（1）嵌入式信息采集装置采集信息：第一嵌入式信息采集装置中的压力传感器根据人体行走时脚跟的抬起与落下采集左脚的压力信号，加速度传感器根据人体行走时双脚的角速度采集人体左脚与地面之间的方向信号，第二嵌入式信息采集装置中的压力传感器根据人体行走时脚跟的抬起与落下采集右脚的压力信号，加速度传感器根据人体行走时双脚的角速度采集人体右脚与地面之间的方向信号；
（2）嵌入式信息采集装置的判断与输出：数据处理单元判断如果方向信号超出设定的阈值则输出异常方向信号，如果方向信号没有超出设定的阈值则输出正常方向信号；如果压力信号低于设定的阈值则输出异常压力信号，如果压力信号没有低于设定的阈值则输出正常压力信号，数据处理单元将处理的信号传给Zigbee通信节点，Zigbee通信节点将收到信号传给腕表显示及报警装置；
（3）腕表显示及报警装置判断信号：腕表显示及报警装置中的Zigbee协调器节点接收到嵌入式信息采集装置的信号后将其传给中央数据处理单元，中央数据处理单元判断两个方向信号，若它们至少有一个正常方向信号则返回步骤（1），若它们均为异常方向信号则继续判断两个压力信号，若两个压力信号中没有异常压力信号，则返回步骤（1），若两个压力信号中至少有一个异常压力信号，则判断使用者跌倒并发出报警信号，中央数据处理单元将报警信号传给响应器提醒使用者，同时将报警信号传给液晶显示模块并在液晶显示模块上显示报警状态，还将报警信号通过无线通讯模块发给监护终端，监护终端会立即通知附近工作人员前去救助，并将报警信息发送给需要救助者的紧急联系人。
上文中，第一嵌入式信息采集装置1设置在人体左脚的鞋垫上，第二嵌入式信息采集装置2设置在人体右角的鞋垫上，由于每个人的行走习惯不同，人体在正常行走时，脚跟与地面的倾角会维持在±15°范围之内，所以方向信号的阈值设定为±15°，当跌倒发生时，方向信号会超出此阈值；其次，尽管跌倒的姿势会各有不同，但跌倒时人体与鞋垫间的压力将低于嵌入式信息采集装置的最大采集压力的50%，所以压力信号的阈值设定为最大采集压力的50%。
为提高报警准确率，中央数据处理单元设置有信号计数器，信号计数器将采集到的两个均超出阈值的方向信号视为一个跌倒信号，当采集到一个跌倒信号时，处理模块中跌倒信号计数器加1，响应振子振动提醒使用者即将报警，若此时为误报警则使用者可双脚着地，取消报警，此时，跌倒信号计数器清零；若并非误报警，则继续采集信号传给信号计数器，当计数器中连续采集到3个跌倒信号则即可报警。这样不仅提高报警的准确率，降低误报警，而且增加了鞋垫的人为可控性。
此外，当使用者跌倒前或其他紧急情况发生前需要报警，则可通过腕表显示及报警装置3中的迅速报警按键即刻报警；也可以迅速侧卧，此时，压力采集器所采集到的信号为零，加速度传感器采集到的角度信号为90o；则中央数据处理单元会判断使用者自助报警，不再经过数据判断直接通过无线通讯模块报警。
本实施例中，腕表显示及报警装置3中的脉搏测量器输出端与中央数据处理单元输入端电连接，当脉搏测量器检查出人体脉搏异常后则发出报警信号给中央数据处理单元，中央数据处理单元检测到来自脉搏测量器的报警信号时则直接报警。
如图4所示，本实施例还提供了一种人体运动计步及清零方法，步骤如下：
（1）嵌入式信息采集装置每采集到一次压力信号就将此信号传递给中央数据处理单元的计步计数器，计步计数器就增加1；（2）中央数据处理单元对比左右脚的步数并计算平均值，将得到的步数通过计算步数与步间距的乘积即得到运动距离；（3）步数与运动距离可通过液晶显示模块显示给使用者。
上文中，当计步计数器中数字变化时，会判断该数值是否超过预设值（例如500），当超过预设值时，蜂鸣器鸣叫提示使用者步数超过预设值。此时，使用者可通过腕表显示及报警装置的计步清零键进行计步清零。综上，系统的计步功能是由压力传感器采集压力信号传递给中央数据处理单元中的计数器实现的；计步清零通过计步清零按键直接实现，且都有响应振子和蜂鸣器提示功能的实现。尽管每个人的走路姿势不同，但脚掌与地面的压力信号都会发生改变，这种改变通过压力传感器准确采集，所以计步与计步清零不会受走路姿态的影响，完全由使用者控制并准确实现。
上文中，当人体在行走时，脚跟抬起压力信号消失，脚跟放下重新获取压力信号，此过程完成一个压力信号的采集。

Claims (10)

1.一种可穿戴跌倒预警系统，包括嵌入式信息采集装置、腕表显示及报警装置（3）和监护终端（4），其特征在于：
所述嵌入式信息采集装置包括第一嵌入式信息采集装置（1）和第二嵌入式信息采集装置（2）；各个嵌入式信息采集装置包括电源、压力传感器、加速度传感器、响应振子、数据处理单元和Zigbee通信节点，所述压力传感器的输出端和所述加速度传感器的输出端分别与所述数据处理单元的输入端电连接，所述Zigbee通信节点的输入端和响应振子的输入端分别与所述数据处理单元的输出端电连接； 
所述腕表显示及报警装置（3）包括电源、响应器、Zigbee协调器节点、中央数据处理单元、液晶显示模块和无线通信模块，所述Zigbee协调器节点的输出端与所述中央数据处理单元的输入端电连接，所述响应器、所述液晶显示模块和所述无线通信模块的输入端分别与所述数据处理单元的输出端电连接；
所述Zigbee通信节点和Zigbee协调器节点构成Zigbee无线通信网络，所述腕表显示及报警装置（3）经无线通信模块与所述监护终端（4）构成无线通信网络。
2.根据权利要求1所述的可穿戴人体运动计步及跌倒预警系统，其特征在于：所述腕表显示及报警装置（3）还设有脉搏测量器、时钟和迅速报警按键，所述脉搏测量器和时钟的输入端分别与所述中央数据处理单元的输出端电连接，所述迅速报警按键的输出端与所述无线通信模块的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的可穿戴人体运动计步及跌倒预警系统，其特征在于：所述中央数据处理单元为 ARM11 架构的S3C6410 芯片，其通过RS232 通讯接口与所述Zigbee 协调器节点的输出端电连接。
4.根据权利要求1所述的可穿戴人体运动计步及跌倒预警系统，其特征在于：所述响应器为蜂鸣器。
5.根据权利要求1所述的可穿戴人体运动计步及跌倒预警系统，其特征在于：所述中央数据处理单元还设有信号计数器、计步计数器和计步清零键,所述嵌入式信息采集装置还设有响应振子，所述响应振子的输入端与数据处理单元的输出端电连接。
6.根据权利要求1所述的可穿戴人体运动计步及跌倒预警系统，其特征在于：所述无线通信模块为wifi或gsm无线通讯模块。
7.根据权利要求1所述的可穿戴人体运动计步及跌倒预警系统，其特征在于：所述监控终端为pc机或移动手机终端。
8.一种可穿戴跌倒预警系统使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）嵌入式信息采集装置采集信息：第一嵌入式信息采集装置中的压力传感器根据人体行走时脚跟的抬起与落下采集左脚的压力信号，加速度传感器根据人体行走时双脚的角速度采集人体左脚与地面之间的方向信号，第二嵌入式信息采集装置中的压力传感器根据人体行走时脚跟的抬起与落下采集右脚的压力信号，加速度传感器根据人体行走时双脚的角速度采集人体右脚与地面之间的方向信号；
（2）嵌入式信息采集装置的判断与输出：数据处理单元判断如果方向信号超出设定的阈值则输出异常方向信号，如果方向信号没有超出设定的阈值则输出正常方向信号；如果压力信号低于设定的阈值则输出异常压力信号，如果压力信号没有低于设定的阈值则输出正常压力信号，数据处理单元将处理的信号传给Zigbee通信节点，Zigbee通信节点将收到信号传给腕表显示及报警装置；
（3）腕表显示及报警装置判断信号：腕表显示及报警装置中的Zigbee协调器节点接收到嵌入式信息采集装置的信号后将其传给中央数据处理单元，中央数据处理单元判断两个方向信号，若它们至少有一个正常方向信号则返回步骤（1），若它们均为异常方向信号则继续判断两个压力信号，若两个压力信号中没有异常压力信号，则返回步骤（1），若两个压力信号中至少有一个异常压力信号，则判断使用者跌倒并发出报警信号，中央数据处理单元将报警信号传给响应器提醒使用者，同时将报警信号传给液晶显示模块并在液晶显示模块上显示报警状态，还将报警信号通过无线通讯模块发给监护终端，监护终端会立即通知附近工作人员前去救助，并将报警信息发送给需要救助者的紧急联系人。
9.根据权利要求8所述的可穿戴跌倒预警系统使用方法，其特征在于：所述中央数据处理单元设置有信号计数器，信号计数器将采集到的两个均超出阈值的方向信号视为一个跌倒信号，当采集到一个跌倒信号时，信号计数器加1，响应振子震动提醒使用者即将报警，若此时为误报警则使用者双脚着地，取消报警；若并非误报警，则继续采集方向信号给信号计数器，当信号计数器中连续采集到3个跌倒信号则即可报警。
10.根据权利要求8所述的可穿戴跌倒预警系统使用方法，其特征在于：所述腕表显示及报警装置设有迅速报警按键，迅速报警按键的输入端与中央数据处理单元的输出端电连接，使用者按下迅速报警按键自助报警时，中央数据处理单元接收到迅速报警按键的报警信号后无需判断，直接将报警信号传给响应器来提醒使用者，同时将报警信号传给液晶显示模块并在液晶显示模块上显示报警状态，还将报警信号通过无线通信模块发给监护终端，监护终端会立即通知附近工作人员前去救助，并将报警信息发送给需要救助者的紧急联系人。
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