CN105796058A - 一种基于多传感器的老人监护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所述一种基于多传感器的老人健康管理系统工作时,通过传感器模块接收加速度计和陀螺仪数据,通过MPU对以上数据进行跌倒检测,当检测到跌倒时,MPU发出报警指令,控制北斗和WiFi模块进行定位,通过GSM模块发送报警和位置信息;MPU处理加速度数据能实现计步器功能,在WiFi环境下将暂存的步数信息发送到数据库;上位机软件可发送命令,实时查询老人的位置和所走步数信息;WiFi模块可以判定老人是否处于预先设定的活动区域,当老人走出该区域,MPU发出报警指令,并进行定位,通过GSM模块发送报警信息和位置信息,能防止老人不慎走失;WiFi的定位功能,能得到老人的运动轨迹,并缓存至存储模块,再传送到数据库端,便于对老人进行健康管理。
Description
技术领域
本发明设计了一种基于多传感器的老人监护系统,特别涉及一种带有跌倒检测报警求助,计步器,北斗定位,WiFi室内定位,老人活动监测,健康管理功能的多功能系统,属于多功能老人监护系统的创新技术。本发明主要应用场景为敬老院中老人的高效看护管理,以及独居老人的健康管理。
背景技术
现有的老人监护系统多是通过长期积累用户大量健康数据,对这些数据进行挖掘分析,周期过长,而采集用户健康数据需要通过各类医疗健康设备进行采集,成本过高。这种模式的监护系统常常结构设计复杂,数据处理缓慢、效率低下,不能满足老人看护者及时获取老人跌倒,走失等紧急状况的需求。同时,传统的老人监护系统的定位方式单一,往往不能满足老人在室内活动区域的使用需求,比如GPS卫星导航定位,ZigBee定位等都只能在固定区域、场合发挥定位作用,这对于处理老人走失跌倒等紧急情况非常不利。随着人们对健康的重视程度不断提高,在对老年人或病人的看护和健康管理工作中,如何提高看护的效率,节省看护的人力成本,第一时间检测到老人或病人的异常,第一时间通知救护人员进行急救,是目前看护及健康管理工作中亟待解决的问题。因此,需要一种高效的、智能化的监护系统,来根据老人的自身状况发出相关信息的监护系统,以实现对老人或病人的有效看护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多传感器的老人监护系统,尤其能解决传统的监护系统难以被动地处理紧急情况的问题,实现自动检测老人跌倒、走失等情况,自动报警的功能;还能解决传统单一定位方式定位场合受限的问题,将北斗与WiFi两种定位方式结合,实现室内外定位。
本发明的技术方案为:
一种基于多传感器的老人监护系统包括:穿戴设备端和上位机管理系统端。穿戴设备端包括微处理器(MPU)与微处理器连接的传感器模块(三轴加速度计,三轴陀螺仪)、WiFi定位模块、北斗定位模块、GSM模块、时钟模块、按键、扬声器、外部存储模块,以及为上述设备供电的电源模块。管理系统端包括紧急报警处理模块、数据库、上位机数据管理软件。
微处理器,与穿戴设备端的所有外设相连,由于设备端外设丰富,其中北斗定位模块,WiFi定位模块与GSM模块分别通过串口与MPU连接,三轴加速度计与三轴陀螺仪通过IIC总线接口与MPU连接,时钟模块通过SPI总线与MPU相连,因此选用MSP430芯片作为MPU。MPU主要功能有以下几点:1)控制传感器数据的采集,以及多阈值跌倒算法,计步器功能的实现;2)通过北斗定位模块进行室外定位,WiFi定位模块进行室内定位;3)控制存储模块的数据读写、擦除;4)控制报警信息的发送;5)控制扬声器,按键等外设的正常工作。
传感器模块,主要包括三轴加速度计,三轴陀螺仪。三轴加速度计采集用户的加速度信息,用以提供用户步态信息以及判定跌倒;三轴陀螺仪测量角速度,转换为角度信息,可以辅助进行跌倒判定,产生报警信号。
时钟模块,为设备端提供时间参考信息。
GSM模块,其主要作用是在突发情况下,MPU发送求救指令唤醒GSM模块,指令的格式为AT串行指令,该模块以短信的形式将定位信息,报警信息发送给看护中心。
按键,主要作用有两个,第一个:一键报警功能,在未检测到报警信号时,按下按键,就能启动GSM模块通过短信方式发送报警信息和位置信息,一键报警;第二个:在检测到报警信号时,扬声器响起,按下按键即可取消报警,实现人机交互,减少虚报误报的概率。
扬声器,当检测到报警信息,扬声器响起,便于看护人员搜寻老人,还能提醒老人是否误报,便于取消报警。
数据库,用以存储设备端采集到的数据。
上位机数据管理软件,对设备端传来的老人每天所走步数,位置等信息进行管理,并通过以上信息对老人健康状况进行分析。
紧急报警处理模块,当接收到设备端传来的报警信号,紧急报警处理模块能有效的提醒看护人员进行急救,并将收到的位置信息准确定位,自行匹配出最优到达该位置的路线,发送给看护人员。
WiFi定位模块,其功能主要有两个,第一个是WiFi室内定位功能,第二个是WiFi数据传输功能。WiFi室内定位功能主要是为了弥补在没有北斗卫星信号的室内情况,仍能进行定位,通过搜索不同WiFi的接入点ID,读取两个或两个以上接入点WiFi信号的强度,通过MPU计算得到平面位置信息,其定位精度可以到10米级,能满足老人看护的需求。WiFi传输模块在有WiFi的情况下能传输老人的位置信息。同时通过北斗和WiFi的定位功能,可以得到老人每天的运动轨迹,在有WiFi的情况下,将该信息传送给看护中心数据库,便于对老人进行活动检测,健康管理。
北斗定位模块,一般情况下工作在睡眠模式,其主要作用是在突发情况下,MPU发送定位指令唤醒北斗模块,搜索卫星信号进行定位,弥补在室外没有WiFi的情况下,系统还能进行室外定位,并通过短信将定位结果发出。
外部存储模块,负责缓存WiFi定位信息,当定位信息通过WiFi模块发送到上位机后,上位机通过WiFi返回一个确认信号,收到该确认信号后,MPU控制外部存储模块将缓存内容清除。
本发明所述一种基于多传感器的老人监护系统工作时,通过传感器模块接收加速度计和三轴陀螺仪数据,通过MPU对以上数据卡尔曼滤波以进行跌倒检测,当检测到跌倒时,MPU发出报警指令,控制WiFi模块和北斗模块进行定位,通过GSM模块发送报警信息和位置信息;MPU处理加速度信息能实现计步器功能,加速度计能检测老人的步态信息,对步态运动进行计数,同时读取时钟模块信息,在每日24时准时清零,在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库,便于健康管理;上位机软件可以通过GSM发送查询命令,实时查询任意一位老人的位置和所走步数信息,设备端通过WiFi或者GSM模块将位置信息和步数返回给上位机;通过WiFi模块可以判定老人是否处于预先设定的活动区域(一般在敬老院范围内),当老人走出该范围,MPU发出报警指令,控制WiFi模块和北斗模块进行定位,通过GSM模块发送报警信息和位置信息,该信息的更新频率为0.1Hz,可以更方便的对老人进行区域监护,防止不慎走失情况发生;WiFi的定位功能,可以得到老人每天的运动轨迹,并将该信息缓存至存储模块,再将该信息传送给看护中心数据库,便于对老人进行活动检测,健康管理。
本发明的跌倒检测方法,包括以下步骤:
(1)通过MPU采集三轴加速度计的加速度和三轴陀螺仪的压力信息,计算得到合加速度(SMA)和高度信息,合加速度的算法:
(2)通过实验设置多级阈值对跌倒进行判定;
第一级阈值为和加速度SMA小于0.5g,对应跌倒瞬间的失重状态;
第二级阈值为检测到第一级阈值后0.5s内SMA大于4g,对应老人跌倒触地瞬间产生的加速度;
第三级阈值为检测到第一、二级阈值间俯仰角或横滚角变化超过70度,该角度对应老人倒地过程的角度变化;
当三级阈值都达到时,判定跌倒产生,启动北斗模块进行定位,并结合WiFi定位模块的定位信息确定具体位置,启动GSM模块发送报警信息和位置信息。
上述俯仰角与横滚角的算法包括以下步骤:
(1)用四元数及三轴陀螺仪静态漂移值作为卡尔曼滤波的状态量,X(k|k-1)为k时刻的状态量,q1,q2,q3,q4为四元数值,wx,wy,wz为三轴陀螺仪静态漂移值;
X(k|k-1)=[q1,q2,q3,q4,wx,wy,wz]T(1)
(2)更新k时刻的状态估计量;
X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)(2)
其中
X(k-1|k-1)为k-1时刻的最优状态量,A为状态转移矩阵,gx,gy,gz为三轴陀螺仪数据,Ts为采样周期;
(3)更新k时刻协方差估计;
P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q(4)
其中P(k|k-1)为协方差估计值,P(k-1|k-1)为k-1时刻最优协方差,Q为系统噪声方差矩阵;
(4)更新最优状态估计;
X(k|k)=X(k|k-1)+Kk(Zk-HX(k|k-1))(5)
其中Kk为最优卡尔曼增益,Zk为量测值;
Zk=[ax,ay,az]T(6)
(5)更新卡尔曼增益;
其中,R为量测噪声方差矩阵;
(6)更新k时刻协方差最优估计值;
P(k|k)=(I-KkH)P(k|k-1)(10)
其中,I为单位矩阵;
(7)通过以上卡尔曼滤波后得到k时刻最优状态量X(k|k)=[q0,q1,q2,q3,wx,wy,wz]T,通过比较四元数姿态矩阵与方向余弦矩阵后得到俯仰角和横滚角;
本发明的计步器功能,包括以下步骤:
(1)本发明中计步器的实现采用峰值检测和动态阈值的方法。峰值检测要求系统持续更新三轴加速度的最大值和最小值,每采样30次更新一次。平均值(Max+Min)/2称为“动态阈值”。接下来的30次采样利用此阈值判断老人是否迈出步伐。由于此阈值每30次采样更新一次,因此它是动态的。这种选择具有自适应性,且速度快;
(2)在此判定的基础上,两粗步态计数之间的间隔必须在0.2s~2.0s之间,时间超过该区间,则步伐被排除,不计数;反之,该粗步态计数被确认,精步态计数加一;
(3)读取时钟模块信息,在每日24时准时清零,在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库,便于健康管理。
本发明的实时查询功能,包括以下步骤:
(1)上位机数据管理软件通过GSM短信形式发送查询命令到指定设备端;
(2)该设备端MPU读取短信命令,通过WiFi或者北斗模块进行定位,读取当前计步器读数;
(3)检测WiFi是否连通,如果WiFi连通,则通过WiFi发送模块发送数据到上位机;若WiFi未连通,则启动GSM模块发送位置和步数信息到上位机。
本发明的区域监护功能,包括以下步骤:
(1)预先存储边缘区域的WiFi接入点ID,通过MPU检测接入点ID信息;
(2)当检测到预存的边缘区域WiFi接入点ID后,MPU控制北斗模块进行定位,当检测到老人走出该区域,启动GSM模块发送报警信息和位置信息。
本发明的运动轨迹监测功能,包括以下步骤:
(1)老人的一般在室内活动,主要通过WiFi室内定位记录运动轨迹;
(2)WiFi记录下的位置信息缓存在存储模块,MPU通过WiFi模块发送缓存信息,每小时打包发送一次到上位机,上位机收到数据后通过WiFi返回一个确认信号,MPU收到该确认信号后,删除存储模块中的缓存信息;
本发明的优点包括:
(1)通过北斗与WiFi两种方式进行定位,解决传统监护系统单一定位方式定位场合受限的问题,实现了室内外定位;
(2)通过GSM模块发送求救短信的形式,解决了传统的监护系统数据处理效率低,难以自动地处理应急情况的问题,实现自动检测应急情况,自动报警的功能;
(3)本系统采用多传感器设置多级阈值的方式判定跌倒,能有效提高跌倒检测的准确性,系统提供一键报警,一键解除报警功能,能有效降低误警率;
(4)通过WiFi定位功能,预先设定老人活动区域,当老人走出该区域设备会发送报警信息,并开启北斗模块进行卫星定位,解决了老人活动区域监护的问题,防止老人走失;
(5)本系统功能强大,除了以上功能外,还能将老人的身体参数信息,活动轨迹等传入看护中心数据库,进行健康管理,分析老人长期的健康指数是否正常。
附图说明:
图1是本发明的监护系统总体示意图;
图2是本发明的跌倒检测算法流程图;
图3是本发明的计步器算法的整体流程图;
图4是本发明的活动区域监护流程图;
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明:
本发明提供的多传感器的老人监护系统佩戴在人体腰部。
一种基于多传感器的老人监护系统包括:穿戴设备端和上位机管理系统端。穿戴设备端包括微处理器(MPU)100与微处理器连接的传感器模块(三轴加速度计101,三轴陀螺仪102),时钟模块103,GSM模块104,按键105,扬声器106,WiFi模块107,北斗模块108,外部存储模块109,以及为上述设备供电的电源模块110。管理系统端包括数据库111,上位机数据管理软件112。
微处理器,与穿戴设备端的所有外设相连,由于设备端外设丰富,其中北斗模块108,WiFi模块107与GSM模块104分别通过串口与MPU100连接,三轴加速度计102与三轴陀螺仪103通过IIC总线接口与MPU100连接,时钟模块103通过SPI总线与MPU100相连,因此选用MSP430芯片作为MPU100。MPU100主要功能有以下几点:1)控制传感器数据的采集,以及多阈值跌倒算法,计步器功能的实现;2)通过北斗模块108进行室外定位,WiFi模块107进行室内定位;3)控制存储模块109的数据读写、擦除;4)控制报警信息的发送;5)控制扬声器106,按键105等外设的正常工作。
传感器模块,主要包括三轴加速度计101,三轴陀螺仪102。三轴加速度计101采集用户的加速度信息,用以提供用户步态信息以及判定跌倒;三轴陀螺仪102测量角速度,转换为角度信息,可以辅助进行跌倒判定,产生报警信号。
时钟模块103,负责为设备端提供时间参考信息。
GSM模块104,其主要作用是在突发情况下,MPU100发送求救指令唤醒GSM模块104,指令的格式为AT串行指令,该模块以短信的形式将定位信息,报警信息发送给看护中心。
按键105,主要作用有两个,第一个:一键报警功能,在未检测到报警信号时,按下按键105,就能启动GSM模块104通过短信方式发送报警信息和位置信息,一键报警;第二个:在检测到报警信号时,扬声器105响起,按下按键即可取消报警,实现人机交互,减少虚报误报的概率。
扬声器106,当检测到报警信息,扬声器106响起,便于看护人员搜寻老人,还能提醒老人是否误报,便于取消报警。
WiFi模块107,其功能主要有两个,第一个是WiFi室内定位功能,第二个是WiFi数据传输功能。WiFi室内定位功能主要是为了弥补在没有北斗卫星信号的室内情况,仍能进行定位,通过搜索不同WiFi的接入点ID,读取两个或两个以上接入点WiFi信号的强度,通过MPU计算得到平面位置信息,其定位精度可以到10米级,能满足老人看护的需求。WiFi传输模块在有WiFi的情况下能传输老人的位置信息。同时通过北斗和WiFi的定位功能,可以得到老人每天的运动轨迹,在有WiFi的情况下,将该信息传送给看护中心数据库,便于对老人进行活动检测,健康管理。
北斗模块108,一般情况下工作在睡眠模式,其主要作用是在突发情况下,MPU100发送定位指令唤醒北斗模块,搜索卫星信号进行定位,弥补在室外没有WiFi的情况下,系统还能进行室外定位,并通过短信将定位结果发出。
外部存储模块109,负责缓存WiFi定位定位信息,当定位信息通过WiFi模块107发送到上位机后,上位机数据管理软件112通过WiFi返回一个确认信号,收到该确认信号后,MPU100控制外部存储模块109将缓存内容清除。
本发明所述一种基于多传感器的老人监护系统工作时,通过传感器模块接收加速度计101和三轴陀螺仪102数据,通过MPU100对以上数据卡尔曼滤波以进行跌倒检测,当检测到跌倒时,MPU100发出报警指令,控制WiFi模块107和北斗模块108进行定位,通过GSM模块104发送报警信息和位置信息;MPU100处理加速度信息能实现计步器功能,加速度计101能检测老人的步态信息,对步态运动进行计数,同时读取时钟模块103信息,在每日24时准时清零,在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库111,便于健康管理;通过WiFi模块107可以判定老人是否处于预先设定的活动区域(一般在敬老院范围内),当老人走出该范围,MPU100发出报警指令,控制WiFi模块107和北斗模块108进行定位,通过GSM模块104发送报警信息和位置信息,该信息的更新频率为1Hz;WiFi的定位功能,可以得到老人每天的运动轨迹,并将该信息缓存至存储模块,再将该信息传送给看护中心数据库111,便于对老人进行活动检测,健康管理。
本发明的跌倒检测方法,包括以下步骤:
(1)通过MPU100采集三轴加速度计101的加速度和三轴陀螺仪102的角速度信息,计算得到合加速度(SMA)和角度信息,合加速度
(2)通过实验设置多级阈值对跌倒进行判定;
第一级阈值为和加速度SMA小于0.5g,对应跌倒瞬间的失重状态;
第二级阈值为检测到第一级阈值后0.5s内SMA大于2.5g,对应老人跌倒触地瞬间产生的加速度;
第三级阈值为检测到第一、二级阈值间俯仰角或横滚角变化超过70度,该角度对应老人倒地过程的角度变化;;
当三级阈值都达到时,判定跌倒产生,启动北斗模块108进行定位,并结合WiFi模块107定位信息确定具体位置,启动GSM模块104发送报警信息和位置信息。
上述俯仰角与横滚角的算法包括以下步骤:
(1)用四元数及三轴陀螺仪静态漂移值作为卡尔曼滤波的状态量,X(k|k-1)为k时刻的状态量,q1,q2,q3,q4为四元数值,wx,wy,wz为陀螺角速度静态漂移值;
X(k|k-1)=[q1,q2,q3,q4,wx,wy,wz]T(12)
(2)更新k时刻的状态估计量;
X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)(13)
其中
X(k-1|k-1)为k-1时刻的最优状态量,A为状态转移矩阵,gx,gy,gz为三轴陀螺仪数据,Ts为采样周期;
(3)更新k时刻协方差估计;
P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q(15)
其中P(k|k-1)为协方差估计值,P(k-1|k-1)为k-1时刻最优协方差,Q为噪声方协差值;
(4)更新最优状态估计;
X(k|k)=X(k|k-1)+Kk(Zk-HX(k|k-1))(16)
其中Kk为最优卡尔曼增益,Zk为量测值;
Zk=[ax,ay,az]T(17)
(5)更新卡尔曼增益;
其中,R为观测噪声协方差;
(6)更新k时刻协方差最优估计值;
P(k|k)=(I-KkH)P(k|k-1)(21)
其中,I为单位矩阵;
(7)通过以上卡尔曼滤波后得到k时刻最优状态量X(k|k)=[q0,q1,q2,q3,wx,wy,wz]T,通过比较四元数姿态矩阵与方向余弦矩阵后得到俯仰角和横滚角;
本发明的计步器功能,包括以下步骤:
(1)本发明中计步器的实现采用峰值检测和动态阈值的方法。峰值检测要求系统持续更新三轴加速度101的最大值和最小值,每采样30次更新一次。平均值(Max+Min)/2称为“动态阈值”。接下来的30次采样利用此阈值判断老人是否迈出步伐。当检测值超过该阈值,则粗步态计数加一。由于此阈值每30次采样更新一次,因此它是动态的。这种选择具有自适应性,且速度快;
(2)在此判定的基础上,两粗步态计数之间的间隔必须在0.2s~2.0s之间,时间超过该区间,则步伐被排除,不计数,反之,该粗步态计数被确认,精步态计数加一;
(3)读取时钟模块信息,在每日24时准时清零,在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库111,便于健康管理。
本发明的实时查询功能,包括以下步骤:
(1)上位机数据管理软件113通过GSM短信形式发送查询命令到指定设备端;
(2)该设备端MPU100读取短信命令,通过WiFi模块107以及北斗模块108进行定位,读取当前计步器读数;
(3)检测WiFi是否连通,如果WiFi连通,则通过WiFi模块107发送数据到上位机数据管理软件113;若WiFi未连通,则启动GSM模块104发送位置和步数信息到上位机。
本发明的活动区域监护功能,包括以下步骤:
(1)预先存储边缘区域的WiFi接入点,通过MPU100检测接入点ID信息;
(2)当检测到预存的边缘区域WiFi接入点ID后,MPU100控制北斗模块108进行定位,当检测到老人走出该区域,启动GSM模块104发送报警信息和位置信息。
本发明的运动轨迹监测功能,包括以下步骤:
(1)老人的一般在室内活动,主要通过WiFi室内定位记录运动轨迹;
(2)WiFi记录下的位置信息缓存在存储模块,MPU100通过WiFi模块107发送缓存信息,每小时打包发送一次到上位机数据库111,上位机收到数据后通过WiFi返回一个确认信号,MPU100收到该确认信号后,删除存储模块109中的缓存信息。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于多传感器的老人监护系统包括:穿戴设备端和上位机管理系统端;穿戴设备端包括微处理器(MPU)与微处理器连接的传感器模块(三轴加速度计,三轴陀螺仪)、WiFi定位模块、北斗定位模块、GSM模块、时钟模块、按键、扬声器、外部存储模块,以及为上述设备供电的电源模块。管理系统端包括紧急报警处理模块、数据库、上位机数据管理软件;其功能模块包括跌到报警系统、计步器、实时定位查询系统、区域监护系统、运动轨迹监测系统;
(1)微处理器,与穿戴设备端的所有外设相连,由于设备端外设丰富,其中北斗定位模块,WiFi定位模块与GSM模块分别通过串口与MPU连接,三轴加速度计与三轴陀螺仪通过IIC总线接口与MPU连接,时钟模块通过SPI总线与MPU相连,因此选用MSP430芯片作为MPU;MPU主要功能有以下几点:1)控制传感器数据的采集,以及多阈值跌倒算法,计步器功能的实现;2)通过北斗定位模块进行室外定位,WiFi定位模块进行室内定位;3)控制存储模块的数据读写、擦除;4)控制报警信息的发送;5)控制扬声器,按键外设的正常工作;
(2)传感器模块,主要包括三轴加速度计,三轴陀螺仪;三轴加速度计采集用户的加速度信息,用以提供用户步态信息以及判定跌倒;三轴陀螺仪测量角速度,转换为角度信息,可以辅助进行跌倒判定,产生报警信号;
(3)时钟模块,为设备端提供时间参考信息;
(4)GSM模块,其主要作用是在突发情况下,MPU发送求救指令唤醒GSM模块,指令的格式为AT串行指令,该模块以短信的形式将定位信息,报警信息发送给看护中心;
(5)按键,主要作用有两个,第一个:一键报警功能,在未检测到报警信号时,按下按键,就能启动GSM模块通过短信方式发送报警信息和位置信息,一键报警;第二个:在检测到报警信号时,扬声器响起,按下按键即可取消报警,实现人机交互,减少虚报误报的概率;
(6)扬声器,当检测到报警信息,扬声器响起,便于看护人员搜寻老人,还能提醒老人是否误报,便于取消报警;
(7)WiFi定位模块,其功能主要有两个,第一个是WiFi室内定位功能,第二个是WiFi数据传输功能;WiFi室内定位功能主要是为了弥补在没有北斗卫星信号的室内情况,仍能进行定位,通过搜索不同WiFi的接入点ID,读取两个或两个以上接入点WiFi信号的强度,通过MPU计算得到平面位置信息,其定位精度可以到10米级,能满足老人看护的需求;WiFi传输模块在有WiFi的情况下能传输老人的位置信息;同时通过北斗和WiFi的定位功能,可以得到老人每天的运动轨迹,在有WiFi的情况下,将该信息传送给看护中心数据库,便于对老人进行活动检测,健康管理;
(8)北斗定位模块,一般情况下工作在睡眠模式,其主要作用是在突发情况下,MPU发送定位指令唤醒北斗模块,搜索卫星信号进行定位,弥补在室外没有WiFi的情况下,系统还能进行室外定位,并通过短信将定位结果发出;
外部存储模块,负责缓存WiFi定位信息,当定位信息通过WiFi模块发送到上位机后,上位机通过WiFi返回一个确认信号,收到该确认信号后,MPU控制外部存储模块将缓存内容清除;
(9)数据库,用以存储设备端采集到的数据;
(10)上位机数据管理软件,对设备端传来的老人每天所走步数,位置信息进行管理,并通过以上信息对老人健康状况进行分析;
(11)紧急报警处理模块,当接收到设备端传来的报警信号,紧急报警处理模块能有效的提醒看护人员进行急救,并将收到的位置信息准确定位,自行匹配出最优到达该位置的路线,发送给看护人员。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统,其特征在于:所述跌倒报警系统工作时,由传感器模块接收加速度计和三轴陀螺仪数据,通过MPU对以上数据卡尔曼滤波以进行跌倒检测,当检测到跌倒时,MPU发出报警指令,控制WiFi模块和北斗模块进行定位,通过GSM模块发送报警信息和位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统,其特征在于:所述的计步器,通过MPU处理加速度信息实现,加速度计能检测老人的步态信息,对步态运动进行计数,同时读取时钟模块信息,在每日24时准时清零,在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库,便于健康管理;其特征在于所述的计步器具体实现步骤如下:
(1)本发明中计步器的实现采用峰值检测和动态阈值的方法。峰值检测要求系统持续更新三轴加速度的最大值和最小值,每采样30次更新一次。平均值(Max+Min)/2称为“动态阈值”。接下来的30次采样利用此阈值判断老人是否迈出步伐。由于此阈值每30次采样更新一次,因此它是动态的。这种选择具有自适应性,且速度快;
(2)在此判定的基础上,两粗步态计数之间的间隔必须在0.2s~2.0s之间,时间超过该区间,则步伐被排除,不计数;反之,该粗步态计数被确认,精步态计数加一;
(3)读取时钟模块信息,在每日24时准时清零,在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库,便于健康管理。
4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统,其特征在于:所述实时定位查询系统工作时,上位机软件可以通过GSM发送查询命令,实时查询任意一位老人的位置和所走步数信息,设备端通过WiFi或者GSM模块将位置信息和步数返回给上位机;其特征在于所述的实时定位查询系统具体实现步骤如下:
(1)上位机数据管理软件通过GSM短信形式发送查询命令到指定设备端;
(2)该设备端MPU读取短信命令,通过WiFi或者北斗模块进行定位,读取当前计步器读数;
(3)检测WiFi是否连通,如果WiFi连通,则通过WiFi发送模块发送数据到上位机;若WiFi未连通,则启动GSM模块发送位置和步数信息到上位机。
5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统,其特征在于:所述区域监护系统工作时,通过WiFi模块可以判定老人是否处于预先设定的活动区域(一般在敬老院范围内),当老人走出该范围,MPU发出报警指令,控制WiFi模块和北斗模块进行定位,通过GSM模块发送报警信息和位置信息,该信息的更新频率为0.1Hz,可以更方便的对老人进行区域监护,防止不慎走失情况发生。
6.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统,其特征在于:所述运动轨迹监测系统工作时,利用WiFi的定位功能,可以得到老人每天的运动轨迹,并将该信息缓存至存储模块,再将该信息传送给看护中心数据库,便于对老人进行活动检测,健康管理;其特征在于所述的运动轨迹检测功能具体实现步骤如下:
(1)老人的一般在室内活动,主要通过WiFi室内定位记录运动轨迹;
(2)WiFi记录下的位置信息缓存在存储模块,MPU通过WiFi模块发送缓存信息,每小时打包发送一次到上位机,上位机收到数据后通过WiFi返回一个确认信号,MPU收到该确认信号后,删除存储模块中的缓存信息。
7.所述一种基于多传感器的老人监护系统的跌倒检测方法,包括以下步骤:
(1)通过MPU采集三轴加速度计的加速度和三轴陀螺仪的压力信息,计算得到合加速度(SMA)和高度信息,合加速度的算法:
(2)通过实验设置多级阈值对跌倒进行判定;
第一级阈值为和加速度SMA小于0.5g,对应跌倒瞬间的失重状态;
第二级阈值为检测到第一级阈值后0.5s内SMA大于4g,对应老人跌倒触地瞬间产生的加速度;
第三级阈值为检测到第一、二级阈值间俯仰角或横滚角变化超过70度,该角度对应老人倒地过程的角度变化;
当三级阈值都达到时,判定跌倒产生,启动北斗模块进行定位,并结合WiFi定位模块定位信息确定具体位置,启动GSM模块发送报警信息和位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于多传感器的老人监护系统的跌倒检测方法,其特征在于步骤(2)中所述的俯仰角与横滚角的解算方法具体实现步骤如下:
(1)用四元数及三轴陀螺仪静态漂移值作为卡尔曼滤波的状态量,X(k|k-1)为k时刻的状态量,q1,q2,q3,q4为四元数值,wx,wy,wz为三轴陀螺仪静态漂移值;
X(k|k-1)=[q1,q2,q3,q4,wx,wy,wz]T(1)
(2)更新k时刻的状态估计量;
X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)(2)
其中
X(k-1|k-1)为k-1时刻的最优状态量,A为状态转移矩阵,gx,gy,gz为三轴陀螺仪数据,Ts为采样周期;
(3)更新k时刻协方差估计;
P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q(4)
其中P(k|k-1)为协方差估计值,P(k-1|k-1)为k-1时刻最优协方差,Q为系统噪声方差矩阵;
(4)更新最优状态估计;
X(k|k)=X(k|k-1)+Kk(Zk-HX(k|k-1))(5)
其中Kk为最优卡尔曼增益,Zk为量测值;
Zk=[ax,ay,az]T(6)
(5)更新卡尔曼增益;
其中,R为量测噪声方差矩阵;
(6)更新k时刻协方差最优估计值;
P(k|k)=(I-KkH)P(k|k-1)(10)
其中,I为单位矩阵;
(7)通过以上卡尔曼滤波后得到k时刻最优状态量X(k|k)=[q0,q1,q2,q3,wx,wy,wz]T,通过比较四元数姿态矩阵与方向余弦矩阵后得到俯仰角和横滚角;
。
9.根据权利要求5所述的一种基于多传感器的老人监护系统的区域监护功能,其特征在于所述的区域监护功能具体实现步骤如下:
(1)预先存储边缘区域的WiFi接入点,通过MPU检测接入点ID信息;
(2)当检测到预存的边缘区域WiFi接入点ID后,MPU控制北斗模块进行定位,当检测到老人走出该区域,启动GSM模块发送报警信息和位置信息。
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