CN106056848A - 一种防跌倒预警器低功耗实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的防跌倒预警器低功耗实现方法，利用运动传感器提供的运动中断和单片机的停机模式的低功耗特性，通过单片机检测运动传感器的运动中断信号，灵活地调整单片机和运动传感器的工作状态，达到降低整机功耗的目的，同时，运动传感器在低功耗模式下，仅以较低采样率对加速度数据采集，一旦检测到加速度超过设定阈值，立即产生运动中断信号，通知单片机监测对象已由静止状态转为运动状态，同时单片机更新运动传感器的配置，使之工作于高速采样状态。
Description
技术领域
本发明涉及医学技术领域，特别涉及一种防跌倒预警器低功耗实现方法。
背景技术
研究表明，在65岁以上的老年人中，每年有1次以上跌倒经历的比例高达1/3，其中20％～30％的老人在跌倒事件中会造成擦伤、髋部骨折、头部外伤等；且随着年龄的增加，发生跌到的风险增加。跌倒本身可能对人体产生伤害，如果跌倒后不能得到及时的救助，可能会使结果更加恶化。如何有效检测跌倒、并提供及时的求助信息，显得极为重要；如果能够在跌倒前及时预警，也能避免很多悲剧的发生；如果在发生跌倒过程中，能够有相应的装置提供缓冲，降低跌倒带来的伤害，就能够大大减小跌倒对老人带来的安全威胁。
目前，实现跌倒预警的方案主要是通过可穿戴式防跌倒监测系统技术实现对人体姿态的实时监测，检测到跌倒发生后，通过通信模块与专用的服务器端通信，并拨打报警电话、向救护中心和监护人提供跌倒位置、跌倒时间等信息。
在实际工程中，由于运动传感器需要实时、高速采样，才能完成对人体姿态的实时监测；而穿戴式设备设计小巧、便携，其电池容量不会太大，使得跌倒预警器的续航时间大大缩短。但实际上，人体大部分时间运动幅度较小、尤其是老年人，如果充分利用主控单片机的低功耗、并合理控制运动传感器的采样频率(运动传感器功耗与采样频率成正相关)：长时间运动幅度小时使用低速采样模式、检测到大幅运动时立即切换为高速采样，就能够大幅延长预警器工作时间，推动防跌倒设备的实用化。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种低功耗控制策略，能够在不影响跌倒检测和预警的前提下，大幅降低整机功耗，以延长预警器的工作时间的防跌倒预警器低功耗实现方法。
为实现上述目的，本申请采用下述技术方案：
一种防跌倒预警器低功耗实现方法，包括下述步骤：所述防跌倒预警器包括运动传感器、信号连接于所述运动传感器的单片机及与所述运动传感器和单片机电性连接的电源模块，所述运动传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，所述三轴加速度计用于采集人体X轴加速度、Y轴加速度及Z轴加速度；所述运动传感器还用于将所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的数据转换为人体姿态角；所述单片机用于接收所述运动传感器的信息并进行处理，其特征在于，所述防跌倒预警器低功耗实现方法包括下述步骤：
步骤S10：初始化单片机及所述单片机对所述运动传感器进行初始化设置；
步骤S20：所述单片机发送低功耗命令，使所述运动传感器进入低功耗模式，并判断所述运动传感器是否进入低功耗模式，若判断结果为“是”，进行下一步，若为“否”，返回上一步；
步骤S30：所述单片机执行WFI/WFE指令；
步骤S40：所述单片机进入停机模式；
步骤S50：所述单片机检测所述运动传感器的是否出现中断信号，若“是”进行下一步；若否，返回步骤S40；
步骤S60：所述单片机退出停机模式，所述单片机命令所述运动传感器退出低功耗模式；
步骤S70：所述单片机命令所述运动传感器中的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的数据转换成人体姿态角，并将所述X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度合并为合加速度；
步骤S80：所述单片机判断所述人体姿态角是否大于第一阈值，若是，进行下一步；若否，则进一步判断在30秒倒计时，是否姿态角及合加速度均未超过对应的阈值，若是返回步骤S30，若否，重复步骤S80；
步骤S90：所述单片机进一步判断所述合加速度是否大于第二阈值，若是，进一步判断姿态角是否大于姿态角阈值，若所述姿态角是大于姿态角阈值，所述单片机发送求救命令，若姿态角小于姿态角阈值，进行语音预警；若否，重复该步骤。
优选地，所述运动传感器采用的是InvenSense公司的MPU9150传感器。
优选地，所述单片机采用的是ST公司的STM32F405RG。
优选地，所述单片机对所述运动传感器进行初始化设置包括对所述三轴加速度计基三轴磁力计量程设置及自检测试。
优选地，所述单片机发送低功耗命令使所述运动传感器进入低功耗模式包括对所述运动传感器的采样速率、加速度阈值和采样时间的设置。
优选地，所述采样频率的取值包括1.25Hz、5Hz、20Hz和40Hz。
优选地，所述第一阈值为1.25g，所述第二阈值为4g。
优选地，所述防跌倒预警器还包括定位模块，所述定位模块电性连接于所述单片机。
优选地，所述定位芯片采用的是和芯星通公司的UM220-III-N。
优选地，所述UM220-III-N通过串口与所述单片机相连，其接收配置输出数据速率的命令格式为：“$CFGMSG,msgCLASS,msgID，rate”，其中，rate即为输出速率，为0表示停止输出数据；1表示每秒输出一组数据；10表示每秒输出10组数据。
本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：
本发明提供的防跌倒预警器低功耗实现方法，利用运动传感器提供的运动中断和单片机的停机模式的低功耗特性，通过单片机检测运动传感器的运动中断信号，灵活地调整单片机和运动传感器的工作状态，达到降低整机功耗的目的，同时，运动传感器在低功耗模式下，仅以较低采样率对加速度数据采集，一旦检测到加速度超过设定阈值，立即产生运动中断信号，通知单片机监测对象已由静止状态转为运动状态，同时单片机更新运动传感器的配置，使之工作于高速采样状态。
另外，在停机模式下，当单片机检测到运动传感器运动中断，单片机由停机模式转为工作模式，并依据采样数据进行跌倒检测和判别；在工作模式下，当连续30秒内合加速度低于设定阈值，认为监测对象没有跌到风险，单片机进入停机模式，功耗进一步降低。
附图说明
图1为本发明提供的防跌倒预警器低功耗实现方法的步骤流程图。
图2是所述防跌倒预警器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，为本发明提供的防跌倒预警器低功耗实现方法100的步骤流程图。
其中，请参阅图2，所述防跌倒预警器10包括运动传感器11、信号连接于所述运动传感器11的单片机12及与所述运动传感器11和单片机12电性连接的电源模块13，所述运动传感器11包括三轴加速度计110、三轴陀螺仪112、三轴磁力计111，所述三轴加速度计110用于采集人体X轴加速度、Y轴加速度及Z轴加速度；所述运动传感器11还用于将所述三轴加速度计110、三轴陀螺仪112、三轴磁力计111采集的数据转换为人体姿态角；所述单片机12用于接收所述运动传感器的信息并进行处理。
上述防跌倒预警器低功耗实现方法100包括下述步骤：
步骤S10：初始化单片机及所述单片机对所述运动传感器进行初始化设置；
优选地，所述运动传感器采用的是InvenSense公司的MPU9150传感器。可选地，运动传感器MPU9150为InvenSense公司的MPU9250、MPU9255、MPU6050以及MPU6500。
优选地，所述单片机采用的是ST公司的STM32F405RG。它提供了三种低功耗模式：睡眠模式、停机模式和待机模式。睡眠模式下仅关闭CPU内核，能够一定程度降低功耗；停机模式下关闭CPU和外设，功耗大大降低；待机模式下功耗进一步降低，但在唤醒后需要重新配置各外设。考虑到唤醒后需执行跌倒检测、防护和报警等动作，方案中实际选择的是停机模式。可以理解，将STM32F405RG替换为ST公司的其它芯片：STM32F103，或者替换为具有ARM架构的其它公司的单片机：如LPC1768等。
具体地，通过单片机配置I2C总线，并对MPU9150传感器进行初始化配置，包括陀螺仪量程、磁力计量程设置、DMP(Digital Motion Processor,数字运动处理器)和自检测试等。
步骤S20：所述单片机发送低功耗命令，使所述运动传感器进入低功耗模式，并判断所述运动传感器是否进入低功耗模式，若判断结果为“是”，进行下一步，若为“否”，返回上一步；
优选地，所述单片机发送低功耗命令使所述运动传感器进入低功耗模式包括对所述运动传感器的采样速率、加速度阈值和采样时间的设置。
具体地，采样频率的取值可选1.25Hz、5Hz、20Hz和40Hz，频率越低，功耗也越低，但过低的采样频率会影响跌倒检测的准确率，造成漏警，因此设置采样频率为20Hz。
加速度阈值的大小是中断信号产生的条件之一，考虑到除跌倒、奔跑等特殊情况下加速度阈值才会超过1g以上，加速度阈值设置为1.25g；这意味着，如果运动传感器检测到合加速度超过1.25g，并满足持续时间的条件，将会产生一次运动中断。
采样时间是决定运动中断产生的另一个条件，以毫秒为单位；通过大量的实验，持续时间设置为5ms效果较好，意味着如果在连续5ms的时间里，合加速度保持在合加速度阈值之上，即会产生一次运动中断。
可以理解，运动传感器接收到退出低功耗模式指令时(单片机向相关寄存器写入配置参数)，三轴加速度会以另一个高的采样率进行采样，同时恢复三轴磁力计的数据采集，进入正常监测模式，此时传感器的功耗较高。
这样，在对运动传感器初始化完成后，通过单片机给出相应的指令，可以灵活地控制传感器的工作状态：在一定时间检测到较大加速度值时，立即退出低功耗模式并进行跌倒检测；如果检测到检测对象没有跌到风险，则控制传感器进入低功耗模式，仅通过加速度对人体进行实时监控，以降低数据采集的功耗。
步骤S30：所述单片机执行WFI/WFE指令；
可以理解，完成上述初始配置后，执行ST公司提供的WFI/WFE指令，是单片机进入停机模式，内核CPU和外设关闭，中断检测系统与CPU无关，不受影响。
步骤S40：所述单片机进入停机模式；
步骤S50：所述单片机检测所述运动传感器的是否出现中断信号，若“是”进行下一步；若否，返回步骤S40；
步骤S60：所述单片机退出停机模式，所述单片机命令所述运动传感器退出低功耗模式；
步骤S70：所述单片机命令所述运动传感器中的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的数据转换成人体姿态角，并将所述X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度合并为合加速度；
步骤S80：所述单片机判断所述人体姿态角是否大于第一阈值，若是，进行下一步；若否，则进一步判断在30秒倒计时，是否姿态角及合加速度均未超过对应的阈值，若是返回步骤S30，若否，重复步骤S80；
步骤S90：所述单片机进一步判断所述合加速度是否大于第二阈值，若是，进一步判断姿态角是否大于姿态角阈值，若所述姿态角是大于姿态角阈值，所述单片机发送求救命令，若姿态角小于姿态角阈值，进行语音预警；若否，重复该步骤。
优选地，所述第一阈值为1.25g，所述第二阈值为4g，姿态角阈值为40°。
可以理解，单片机检测MPU9150的运动中断信号，如果检测到中断发生，单片机退出停机模式，并立即向MPU9150发送指令，开启三轴加速度和三轴磁力计并以高采样率进行数据采集；同时，单片机依据采集的数据执行跌倒检测算法，有以下几种可能：
判断姿态角是否超过阈值(设定为40°)，并开启30秒倒计时，如果30秒内姿态角均未超过40°，认为是虚警，单片机配置MPU9150进入低功耗模式，然后执行WFI/WFE指令进入低停机模式。
如果姿态角超过40°，继续判断合加速度是否超过阈值(设置为4g)；如果合加速度低于4g，判定人体存在跌到风险，并依据姿态角通过语音提醒老人注意调整姿态，避免跌倒。
如果姿态角大于40°且合加速度大于4g，认为跌倒不可避免发生，开始执行防护动作：如果配备了气囊执行机构，即刺破气囊，为人体跌倒提供缓冲保护，并自动向服务器发送报警信息；如果没有配备气囊执行机构，则缺乏防护功能，但在跌倒发生后能够立即通过通信模块发送求救信息，并通过喇叭向周围人群求救。
所述防跌倒预警器还包括定位模块14，所述定位模块14电性连接于所述单片机。
优选地，所述定位模块14采用的是和芯星通公司的UM220-III-N。可以理解，所述定位模块14还可以为UM220-III-NV和UM220-III-NL。
可以理解，所述定位模块14具有北斗、GPS双模定位的特性，定位精度高，功耗较低。该芯片没有专门的低功耗控制方法和接口，但提供1～10级的数据输出速率，速率等级越低，数据更新时间间隔越长没功耗越低。
UM220-III-N通过串口与单片机相连，其接收配置输出数据速率的命令格式为：“$CFGMSG,msgCLASS,msgID，rate”，其中，rate即为输出速率，为0表示停止输出数据；1表示每秒输出一组数据；10表示每秒输出10组数据。rate值越高，消耗功率越高。
考虑到定位信息的更新速率不必太高和低功耗设计，在实施过程中设置的速率为1，即每秒仅更新一次数据。
请参阅下表1，为应用本发明算法前后电流消耗对比(单位：mA)
表1应用本发明算法前后电流消耗对比(单位：mA)
注：①定位模块比较的是1级和10级速率情况下的电流消耗。
②功率提升比定义为：正常工作模式电流消耗与低功耗(性能提升后)电流消耗比值。
实验结果表明：使用该低功耗控制算法后，相比正常工作的状态下：运动传感器功耗降低80％左右，电流消耗仅为11mA；停机模式下主控单片机电流消耗仅为10mA，比正常工作下降低80％以上；定位模块功耗降低较小，电流消耗保持在12mA左右。
另外，考虑到UM220-III-N标称功耗在120mW左右，因此建议更改其它更低功耗的同类型产品更，以获得更好的功耗降低效果。
本发明提供的防跌倒预警器低功耗实现方法，利用运动传感器提供的运动中断和单片机的停机模式的低功耗特性，通过单片机检测运动传感器的运动中断信号，灵活地调整单片机和运动传感器的工作状态，达到降低整机功耗的目的，同时，运动传感器在低功耗模式下，仅以较低采样率对加速度数据采集，一旦检测到加速度超过设定阈值，立即产生运动中断信号，通知单片机监测对象已由静止状态转为运动状态，同时单片机更新运动传感器的配置，使之工作于高速采样状态。
另外，在停机模式下，当单片机检测到运动传感器运动中断，单片机由停机模式转为工作模式，并依据采样数据进行跌倒检测和判别；在工作模式下，当连续30秒内合加速度低于设定阈值，认为监测对象没有跌到风险，单片机进入停机模式，功耗进一步降低。
虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种防跌倒预警器低功耗实现方法，所述防跌倒预警器包括运动传感器、信号连接于所述运动传感器的单片机及与所述运动传感器和单片机电性连接的电源模块，所述运动传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，所述三轴加速度计用于采集人体X轴加速度、Y轴加速度及Z轴加速度；所述运动传感器还用于将所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的数据转换为人体姿态角；所述单片机用于接收所述运动传感器的信息并进行处理，其特征在于，所述防跌倒预警器低功耗实现方法包括下述步骤：
步骤S10：初始化单片机及所述单片机对所述运动传感器进行初始化设置；
步骤S20：所述单片机发送低功耗命令，使所述运动传感器进入低功耗模式，并判断所述运动传感器是否进入低功耗模式，若判断结果为“是”，进行下一步，若为“否”，返回上一步；
步骤S30：所述单片机执行WFI/WFE指令；
步骤S40：所述单片机进入停机模式；
步骤S50：所述单片机检测所述运动传感器的是否出现中断信号，若“是”进行下一步；若否，返回步骤S40；
步骤S60：所述单片机退出停机模式，所述单片机命令所述运动传感器退出低功耗模式；
步骤S70：所述单片机命令所述运动传感器中的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的数据转换成人体姿态角，并将所述X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度合并为合加速度；
步骤S80：所述单片机判断所述人体姿态角是否大于第一阈值，若是，进行下一步；若否，则进一步判断在30秒倒计时，是否姿态角及合加速度均未超过对应的阈值，若是返回步骤S30，若否，重复步骤S80；
步骤S90：所述单片机进一步判断所述合加速度是否大于第二阈值，若是，进一步判断姿态角是否大于姿态角阈值，若所述姿态角是大于姿态角阈值，所述单片机发送求救命令，若姿态角小于姿态角阈值，进行语音预警；若否，重复该步骤。
2.如权利要求1所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述运动传感器采用的是InvenSense公司的MPU9150传感器。
3.如权利要求1所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述单片机采用的是ST公司的STM32F405RG。
4.如权利要求1所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述单片机对所述运动传感器进行初始化设置包括对所述三轴加速度计和三轴磁力计量程设置及自检测试。
5.如权利要求1所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述单片机发送低功耗命令使所述运动传感器进入低功耗模式包括对所述运动传感器的采样速率、加速度阈值和采样时间的设置。
6.如权利要求5所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述采样频率的取值包括1.25Hz、5Hz、20Hz和40Hz。
7.如权利要求1所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述合加速度第一阈值为1.25g，所述第二阈值为4g。
8.如权利要求1所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述防跌倒预警器还包括定位模块，所述定位模块电性连接于所述单片机。
9.如权利要求8所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，其特征在于，所述定位模块采用的是和芯星通公司的UM220-III-N。
10.如权利要求9所述的防跌倒预警器低功耗实现方法，所述
UM220-III-N通过串口与所述单片机相连，其接收配置输出数据速率的命令格式为：“$CFGMSG,msgCLASS,msgID，rate”，其中，rate即为输出速率，为0表示停止输出数据；1表示每秒输出一组数据；10表示每秒输出10组数据。
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