CN105243787B - 一种老年人跌倒报警系统、报警方法及报警器 - Google Patents
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Abstract
一种老年人跌倒报警系统、报警方法及报警器，所述的报警系统主要由传感单元、微处理器单元和无线通信模块组成，其特征在于所述的微处理器单元主要包括一外配有数据存储器的SMT32系列单片机，该SMT32系列单片机外设有A/D转换器、高速SPI总线以及USART接口，片内总线包括DMA通道；所述的A/D转换器分别通过外接的两路低通滤波电路连接有三轴加速度传感器和双轴陀螺仪，且所述三轴加速度传感器和双轴陀螺仪构成所述的传感单元；所述的SMT32系列单片机通过无线通信模块连接于可将处理好的数据上传的上位机；它设计精巧，功能多，信息准确；适用于电子产品行业。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种老年人跌倒报警系统、报警方法及报警器，属于老年人监护保健技术领域。
背景技术
跌倒是对老年人健康乃至生命的严重威胁，也给社会带来沉重的负担。在我国，跌倒是65岁以上老年人首位伤害死因。通过多传感器获取人体跌倒行为的运动学数据进行准确识别和及时预警，从而减小老年人跌倒带来的伤害具有重要意义。
目前，精准的跌倒报警器主要存在以下两个方面的问题：（1）跌倒报警不精准；（2）产品装置功能单一。
现有技术中，针对老年人跌倒的自动检测方法主要有3种：1）通过视频检测；2）音频和振动识别；3）通过随身佩戴的装置，它们能够即时检测出跌倒。第3种方法使用简单，价格低廉，易于与现有的无线通信技术、智能识别技术等相结合，从而达到较好的检测/报警效果。其中基于三维加速度传感的系统成为目前国内外研究跌倒检测的主要趋势，加速度阈值是最常见的跌倒判定方式。然而，由于人体日常行为活动比较复杂，根据先验阈值的跌倒判别算法在实际应用中存在不同程度的误判，单纯依据加速度传感器的信息难以进行跌倒行为的准确判断。
跌倒报警不精确。表现在以三轴加速度传感器、双轴陀螺仪、微处理器和无线通信模块为核心的跌倒行为实时检测系统的跌倒识别算法不是十分精确，尤其是表现在侧翻状态下的检测算法，误差较大。
产品装置功能单一表现在目前市场上大多数跌倒报警器仅有一个报警功能，这对于使用于老人产品来讲功能远远不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理，使用方便可靠，能提高报警的精确度，拓展使用辅助功能的老年人跌倒报警系统、报警方法及报警器。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种老年人跌倒报警系统，它主要由传感单元、微处理器单元和无线通信模块组成，所述的微处理器单元主要包括一外配有数据存储器的SMT32系列单片机，该SMT32系列单片机外设有A/D转换器、高速SPI总线以及USART接口，片内总线包括DMA通道；所述的A/D转换器分别通过外接的两路低通滤波电路连接有三轴加速度传感器和双轴陀螺仪，且所述三轴加速度传感器和双轴陀螺仪构成所述的传感单元；所述的SMT32系列单片机通过无线通信模块连接于可将处理好的数据上传的上位机；
本发明所述的SMT32系列单片机还相接有LCD显示屏、按键、蓝牙、ACPS模块，通过音频电路外接扬声器和听筒；所述的SMT32系列单片机连接有一配置SIM卡的充电电源。
本发明所述的双轴陀螺仪选择InvenSense公司的双轴MEMS陀螺仪IDG—300，其量程为±500°/s；所述的三轴加速度传感器采用飞思卡尔半导体的三轴MEMS加速度传感器MMA7260Q，其最大量程为±6gn；在±6gn量程时灵敏度为200mV/g。
一种利用所述老年人跌倒报警系统进行的报警方法，所述的报警方法是：基于人体运动特性参数的跌倒识别算法，利用三轴加速度传感器监测加速度特征，利用双轴陀螺仪监测角速度的变化，通过相连的STM系列单片机接收加速度值与角速度值并提取特征量作为判断依据，将角速度传感器及时监测到的角速度值作为跌倒征兆与日常活动进行区别，并结合加速度信号得到的姿态分析判断出最终是否跌倒，并在判断跌倒后进行报警。
本发明所述的跌倒识别算法是：首先建立人体坐标系，在跌倒的过程中与标准参照系之间会产生比较大的差值；在人体跌倒过程中，无论朝向哪个方向，竖直方向的速度和位置会发生变化，加速度和俯角也都会产生较大范围的变化，因此，用加速度值与角速度值提取特征量可以作为判断的依据；
通过对摔倒数据的分析，采用阈值判别法设计摔倒检测算法，αn为合加速度值，θ为俯仰角的值，∆θ为当前时刻相对于开始判断时刻的俯仰角的增加量。阈值门限FT1为摔倒时极小值，取0.20gn;摔倒过程中在一定时间内加速度值迅速增大，同时俯仰角也会增大，令门限值FT2取为3.90gn;门限值FT3取4.80gn,在俯仰角增大接近至75。时，超过FT3的情形可以判定为摔倒。
一种安装有所述老年人跌倒报警系统的报警装置，它包括一内安装有老年人跌倒报警系统的壳体，所述的壳体上部正面安装有LED显示屏，上端边安装有耳机孔，一侧边安装有电源开关；中部正面设置有文字标签插卡；下部正面分别安装有各种功能键；下部的反面至少配置有电池盖，内部相应地设置有安装有电池的电池盒。
本发明所述壳体的上端边中间安装有挂环；所述的各种功能键至少包括：接听电话键、亲情呼叫键、短信查看键、声音调节键、屏幕亮度调节键以及电话挂机键，另在壳体的侧边设置有医疗设备接口和充电插口。
本发明的有益效果是：相比目前市场上常见的跌倒报警器精准度明显提高，可靠性达87.63%。新增加的多种实用功能，是按照大多数高龄老人要求的便携简便操作的特点而设置的；它具有结构组成合理，使用方便可靠，能提高报警的精确度，拓展使用辅助功能等特点。
附图说明
图1是本发明所述老人跌倒报警器的电路逻辑示意图。
图2是本发明所述老人跌倒识别算法的逻辑图。
图3是本发明所述老人跌倒报警器的正面结构示意图。
图4是本发明所述老人跌倒报警器的反面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的介绍。图1所示，本发明所述的一种老年人跌倒报警系统，它主要由传感单元、微处理器单元和无线通信模块组成，所述的微处理器单元主要包括一外配有数据存储器14的SMT32系列单片机1，该SMT32系列单片机1外设有A/D转换器2、高速SPI总线以及USART接口，片内总线包括DMA通道；所述的A/D转换器2分别通过外接的两路低通滤波电路3连接有三轴加速度传感器4和双轴陀螺仪5，且所述三轴加速度传感器4和双轴陀螺仪5构成所述的传感单元；所述的SMT32系列单片机1通过无线通信模块连接于可将处理好的数据上传的上位机。
图中所示，所述的SMT32系列单片机1还相接有LCD显示屏6、按键7、蓝牙8、ACPS模块9，通过音频电路10外接扬声器和听筒11；所述的SMT32系列单片机1连接有一配置SIM卡12的充电电源13。
本发明的具体实施例是：所述的双轴陀螺仪5选择InvenSense公司的双轴MEMS陀螺仪IDG—300，其量程为±500°/s；所述的三轴加速度传感器4采用飞思卡尔半导体的三轴MEMS加速度传感器MMA7260Q，其最大量程为±6gn；在±6gn量程时灵敏度为200mV/g。
一种利用所述老年人跌倒报警系统进行的报警方法，所述的报警方法是：基于人体运动特性参数的跌倒识别算法，利用三轴加速度传感器监测加速度特征，利用双轴陀螺仪监测角速度的变化，通过相连的STM系列单片机接收加速度值与角速度值并提取特征量作为判断依据，将角速度传感器及时监测到的角速度值作为跌倒征兆与日常活动进行区别，并结合加速度信号得到的姿态分析判断出最终是否跌倒，并在判断跌倒后进行报警。
所述的跌倒识别算法是：首先建立人体坐标系，在跌倒的过程中与标准参照系之间会产生比较大的差值；在人体跌倒过程中，无论朝向哪个方向，竖直方向的速度和位置会发生变化，加速度和俯角也都会产生较大范围的变化，因此，用加速度值与角速度值提取特征量可以作为判断的依据；
通过对摔倒数据的分析，采用阈值判别法设计摔倒检测算法，αn为合加速度值，θ为俯仰角的值，θ为当前时刻相对于开始判断时刻的俯仰角的增加量。阈值门限FT1为摔倒时极小值，取0.20gn;摔倒过程中在一定时间内加速度值迅速增大，同时俯仰角也会增大，令门限值FT2取为3.90gn;门限值FT3取4.80gn,在俯仰角增大接近至75。时，超过FT3的情形可以判定为摔倒。见图2所示。
图3、4所示 ，一种安装有述老年人跌倒报警系统的报警装置，它包括一内安装有老年人跌倒报警系统的壳体15，所述的壳体15上部正面安装有LED显示屏6，上端边安装有耳机孔16，一侧边安装有电源开关17；中部正面设置有文字标签插卡18；下部正面分别安装有各种功能键；下部的反面至少配置有电池盖19，内部相应地设置有安装有电池20的电池盒21。
图中所示，所述壳体15的上端边中间安装有挂环22；所述的各种功能键至少包括：接听电话键23、亲情呼叫键24、短信查看键25、声音调节键26、屏幕亮度调节键27以及电话挂机键28，另在壳体的侧边设置有医疗设备接口29和充电插口30等。
本发明是在现有技术的基础上进行的技术改良，它将人体运动的角度信息作为跌倒行为判断的有效补充，构建了以三轴加速度传感器MMA7260Q，双轴陀螺仪IDG-300,STM32微处理器和无线通信模块为核心的跌倒行为实时检测系统，并利用研制的样机进行了人体日常活动与跌倒行为的研究，提出了基于人体运动特征参数的跌倒识别算法。
传感单元选择与配置。加速度特征是人体运动特征中一个重要参量，人体正常行走时，加速度周期性的规则变化，而在发生跌倒时刻，加速度会发生剧烈变化，加速度的变化可以反映出人体运动状态的变化，因此，采用三轴加速度传感器监测加速度特征，老人在发生危险性跌倒之前，会出现一系列的警示，特别是平衡感越来越差。老年人步态的基本特点是下肢肌肉收缩力下降，脚跟着地，踝、膝屈曲动作缓慢，伸髋不充分，导致行走缓慢，步幅变短，行走不连续，脚不能抬高到一个合适的高度；利用角速度传感器能够及时检测到跌倒征兆并与日常活动区分。在跌倒过程中俯仰角的变化最为明显，另外，倒地之后的姿态与翻转角有关，因此，要采用双轴陀螺仪检测角速度的变化。
本发明所采用的技术方案中增加了部分功能：包括接听电话关闭电话SOS亲情呼叫短信查看屏幕亮度手动调节声音手动调节计步器功能显示蓝牙数据接口。
本发明所述的微处理器单元：采用ST公司的基于Cortex—M3内核的STM32系列单片机，其构架先进，内核频率72MHz，可以满足数据处理的要求。外设包含了高性能的12位高速A/D转换器以及高速SPI总线，USART接口等多种总线接口。片内总线有DMA通道，从A/D转换器得到的数据可以直接送往各总线接口而不需要CPU干预。
在系统采集模式中，为了分析跌倒过程中各传感器信号的变化，需要将传感器的原始数据存储并发送至上位机分析。在采集数据的过程中原始数据量大，无线模块传输过程中可能会出现丢包现象，因此，需要数据存储单元记录传感器的原始数据。
SD卡插拔方便，价格低廉，适合于作为便携式存储设备，在此采用SD卡作为存储单元。通过SPI总线和STM32单片机连接，开启DMA通道，可以将A/D转换器的转换结果直接传送到SPI总线上，从而减少内核用于搬运数据的时间。
本发明在系统中加入了无线通信模块，在算法验证模式下开启无线通信，系统实时处理传感器数据，并将处理好的数据通过无线模块发送至上位机，一旦检测到跌倒，立即发出报警信号。无线模块使用NF905成品模块。
本发明的系统软件基于ST公司的STM32标准外设库，采用分层结构编写。实现信号通道选择与A/D转换，数据处理，控制无线模块数据发送，SD卡数据存储，工作状态选择等任务。系统软件的层次结构图如图2所示。（cortexmicro-controllersoftwareinterfacestandard，CMSIS）为ARM提供的Cortex微处理器的软件接口标准，提供了内核与外设、实时操作系统和中间件设备之间的通用接口。STM32标准外设库中提供了针对MCU外设的总线级操作函数，在此基础上编写总线驱动程序，实现各总线的初始化配置与基本操作。通过调用总线驱动函数编写设备级的驱动函数，提供各模块的操作，
实现软件的模块化。同时移植嵌入式Fatfs文件系统，将采集得到的传感器数据直接以文本格式存储在SD卡中，可以在电脑上直接读取数据文件。应用程序利用状态机思想实现，将系统划分为采集状态和低功耗状态，并在采集状态中划分多个子状态，通过状态的跳转进行相关的任务操作
在实际产品使用过程中，首先从样机的背面卸掉后盖，插入SIM卡，然后安装充电电池和后盖。打开电源开关，液晶屏幕开始显示启动画面，画面启动完成后，即进入工作状态。首先设置SOS呼叫号码（最多不超过3个），然后设置合适的屏幕亮度、声音后再设置计步器显示模式、跌倒报警参数、AGPS自动上传时间周期、蓝牙对接模式等。各种参数设置完成后，即进入正常工作状态。
Claims (1)
1.一种利用老年人跌倒报警系统进行的报警方法，所述的老年人跌倒报警系统，它主要由传感单元、微处理器单元和无线通信模块组成，所述的微处理器单元主要包括一外配有数据存储器的SMT32系列单片机，该SMT32系列单片机外设有A/D转换器、高速SPI总线以及USART接口，片内总线包括DMA通道；所述的A/D转换器分别通过外接的两路低通滤波电路连接有三轴加速度传感器和双轴陀螺仪，且所述三轴加速度传感器和双轴陀螺仪构成所述的传感单元；所述的SMT32系列单片机通过无线通信模块连接于可将处理好的数据上传的上位机；
所述的SMT32系列单片机还相接有LCD显示屏、按键、蓝牙、ACPS模块，通过音频电路外接扬声器和听筒；所述的SMT32系列单片机连接有一配置SIM卡的充电电源；
所述的双轴陀螺仪选择InvenSense公司的双轴MEMS陀螺仪IDG—300，其量程为±500°/s；所述的三轴加速度传感器采用飞思卡尔半导体的三轴MEMS加速度传感器MMA7260Q，其最大量程为±6gn；在±6gn量程时灵敏度为200mV/g；
其特征在于所述的报警方法是：基于人体运动特性参数的跌倒识别算法，利用三轴加速度传感器监测加速度特征，利用双轴陀螺仪监测角速度的变化，通过相连的STM系列单片机接收加速度值与角速度值并提取特征量作为判断依据，将角速度传感器及时监测到的角速度值作为跌倒征兆与日常活动进行区别，并结合加速度信号得到的姿态分析判断出最终是否跌倒，并在判断跌倒后进行报警；
所述的跌倒识别算法是：首先建立人体坐标系，在跌倒的过程中与标准参照系之间会产生比较大的差值；在人体跌 倒过程中，无论朝向哪个方向，竖直方向的速度和位置会发生变化，加速度和俯角也都会产 生较大范围的变化，因此，用加速度值与角速度值提取特征量可以作为判断的依据；通过对摔倒数据的分析，采用阈值判别法设计摔倒检测算法，αn为合加速度值，θ为俯仰角的值，θ为当前时刻相对于开始判断时刻的俯仰角的增加量阈值门限FT1为摔倒时极小值，取0.20gn;摔倒过程中在一定时间内加速度值迅速增大，同时俯仰角也会增大，令门限值 FT2取为3.90gn；门限值FT3取4.80gn,在俯仰角增大接近至75时，超过FT3的情形可以判定为摔倒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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|
| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 310012 Block A, 13/F, Building E, Paradise Software Park, No. 3, Xidoumen Road, Xihu District, Hangzhou, Zhejiang Patentee after: ZHEJIANG HELOWIN MEDICAL TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 310012 block B, 5 / F, building e, Paradise Software Park, No.3 xidoumen Road, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee before: ZHEJIANG HELOWIN MEDICAL TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
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| CP03 | Change of name, title or address |