CN205644898U - 可穿戴式人体跌倒检测与定位终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电子信息检测领域，具体提供一种可穿戴式人体跌倒检测与定位终端。所述可穿戴式人体跌倒检测与定位终端，包括加速度传感器、控制器、GPS模块、GSM模块、蜂鸣器接口、电源管理模块；所述控制器与所述加速度传感器、GPS模块、GSM模块连接、电源管理模块、蜂鸣器相连。本实用新型利用加速度传感器采集人体跌倒姿态参数，GPS模块检测跌倒发生位置，GSM模块发送远程报警短信，智能手机实时接收报警信号，查询人体跌倒位置及时救援；实现了人体跌倒检测与定位精细化管理，提高了检测精度与位置测量精度，同时不受环境条件干扰，不仅适用范围广，而且成本低，具有结构简单的特点。

Description

可穿戴式人体跌倒检测与定位终端

技术领域

本实用新型属于电子信息检测领域，涉及人体跌倒检测系统，具体提供一种可穿戴式人体跌倒检测与定位终端。

背景技术

我国逐渐步入老龄化社会，空巢老人和独居老人数量不断增加，老年人身心健康应得到广泛关注。老年人身体衰弱、行动迟缓、平衡能力差，跌倒是老年人潜在的巨大安全隐患，跌倒后不能及时救助可能给老年人造成重大危害，危及生命。及时救助不慎跌倒老年人，将极大提高老年人生活质量与尊严，降低老年人因跌倒致伤、致残率，老年人跌倒检测与定位系统需求尤为迫切。

目前，人体跌倒检测方法有基于声学的跌倒监测，利用人体摔倒在地板上冲击力产生声音或木地板震动，提取声音信号特征，判断老年人是否跌倒；该方法只适合在室内或安装有木地板的地方使用，而且不同地板老年人摔倒后产生的声音不同，老年人不同情况跌倒产生的冲击力也不同，误差较大。另一种是基于图像的跌倒监测方法，在老年人活动频繁的地方安装摄像头，捕捉老年人运动画面，提取监控视频中运动目标图像轮廓，判断老年人跌倒特征信息，根据特征信息变化检测是否发生跌倒事件；该方法使用受到环境空间、视频质量的限制，运动物体必须来自视频监控，容易侵犯个人隐私，检测范围有限没有视频监控的地 方无法识别老年人运动特征，误差较大。因此，提供一种准确率高、适用性强的便携式人体跌倒检测与定位终端具有重要的意义。

实用新型内容

针对现有人体跌倒检测方法对环境空间条件依赖性大、误差较大的缺陷，本实用新型提供了一种普适性强、可穿戴式的人体跌倒检测与定位终端装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种可穿戴式人体跌倒检测与定位终端包括加速度传感器、控制器、GPS模块、GSM模块、蜂鸣器接口、电源管理模块；所述控制器与所述加速度传感器、GPS模块、GSM模块、电源管理模块、蜂鸣器相连。

优选地，所述加速度传感器为数字三轴加速度传感器；所述控制器为嵌入式微控制器；所述电源管理模块为直流电源管理模块。

具体地，所述加速度传感器采用MMA8652FC的12位数字三轴加速度传感器，检测在X、Y、Z三个方向上的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw；所述控制器采用FPGA SOC嵌入式微控制器；所述电源管理模块采用MC34673单输入全自动电池充电管理器；所述蜂鸣器接口采用三极管放大电路。

进一步地，所述加速度传感器获取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw经信号处理后传给所述控制器，当所述控制器判断取值超过设定值时，控制器判断为发生跌倒；进而从GPS模块获取位置信息，将指令信号传递给所述GSM模块、蜂鸣器。

优选地，所述加速度传感器获取的加速度向量幅值SVM、微分加速 度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw采用卡尔曼滤波器信号处理。

优选地，所述控制器还连接JTAG接口。

本实用新型利用三轴加速度传感器采集人体跌倒姿态参数，GPS模块检测跌倒发生位置，GSM模块发送远程报警短信，智能手机实时接收报警信号，查询人体跌倒位置及时救援；实现了人体跌倒检测与定位精细化管理，提高了检测精度与位置测量精度，同时不受环境条件干扰，不仅适用范围广，而且成本低，具有结构简单的特点。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成图。

图2为本实验新型的系统实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本实用新型做进一步的说明。

实施例一 一种可穿戴式人体跌倒检测与定位终端

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本实用新型可穿戴式人体跌倒检测与定位终端包括加速度传感器、控制器、GPS模块、GSM模块、蜂鸣器接口、电源管理模块；所述控制器与所述加速度传感器、GPS模块、GSM模块、电源管理模块、蜂鸣器相连。

具体地，加速度传感器为数字三轴加速度传感器；所述控制器为嵌 入式微控制器；所述电源管理模块为直流电源管理模块。加速度传感器采用MMA8652FC的12位数字三轴加速度传感器，检测在X、Y、Z三个方向上的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw；所述控制器采用FPGA SOC嵌入式微控制器；所述电源管理模块采用MC34673单输入全自动电池充电管理器；所述蜂鸣器接口采用三极管放大电路。控制器还连接JTAG接口。

以上系统中控制器协调处理其他模块数据，是系统控制核心；数字三轴加速度传感器感知采集老年人姿态信号，是系统感知模块；GSM模块发送老年人跌倒报警信号，远程实时掌控老年人姿态；GPS模块采集老年人位置信息，掌握老人具体位置；直流电源管理模块提高直流电源效率，增加系统待机时间；老年人跌倒事件发生后蜂鸣器电路判断GSM模块是否成功发送跌倒报警信息并完成。

具体的，加速度传感器获取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw经信号处理后传给所述控制器，当所述控制器判断取值超过设定值时，控制器判断为发生跌倒；进而从GPS模块获取位置信息，将指令信号传递给所述GSM模块、蜂鸣器。人体跌倒属于短暂性剧烈活动，过程可以分解为初始安全、失去平衡、冲击接触地面、倒地平衡静止几种状态，跌倒方向有前倾、后仰、左侧、右侧。人体运动特征向量包括速度、加速度、加速度向量幅值SVM(Signal vector magnitude)、微分加速度幅值绝对平均值MADS(Mean absolute value of differential)、姿态角yaw等。由安全状态到跌倒状态加速度及加速向量幅值SVM变化过程由零增加再减小，微分加速度幅值绝对平均值MADS变化过程由零增加再减小；垂直姿态角yaw即老年人与地面夹角远大于 90°或小于90°，正常直立约为90°；本实验新型系统采用三级阈值判断老年人跌倒状态：跌倒期间加速向量幅值SVM峰值会超过1.8g；微分加速度幅值绝对平均值MADS峰值是否超过0.36g/s；与地面垂直姿态角yaw即z平面与xy平面夹角是否接近于90°，即当SVM>1.8g、MADS>0.36g/s、yaw<80°或yaw>100°即判定老年人跌倒。通过三级阈值检测准确判断老年人是否跌倒，保证判断准确率。

另外，所述加速度传感器获取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw采用卡尔曼滤波器信号处理。由于加速度传感器易受噪声干扰使输出产生漂移，为降低干扰对传感器输出数据进行最优处理，系统采用卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器利用线性系统状态方程，通过输入输出观测数据，用反馈控制估算某一时刻状态，对系统状态进行最优估算；卡尔曼滤波物理意义直观，时域状态空间数据存储量小，算法简单，适用于平稳或非平稳的随机过程。

具体硬件和系统组成：

控制器采用Altera公司Cyclone V GXC3低功耗FPGA SOC嵌入式微控制器，IO引脚3.3V供电，输入最大电压3.8V，输出最大电流40mA，内核1.2V供电，锁相环2.5V供电，208支引脚PLCC封装，用户可灵活配置144支引脚。器件支持400MHz DDR3SDRAM增强存储器控制器，内含600Mbps-3.125Gbps数据收发器，18位嵌入式乘法器114个，精度可调DSP模块57个，适用于复杂环境下便携式设备数字信号处理。

加速度传感器选择飞思卡尔MMA8652FC低电压、低功耗12位数字三轴加速度传感器，1.95V-3.6V电压供电、±2g、±4g、±8g三种重力加速度检测量程，输出数字信号频率为1.56Hz-800Hz可配置，I2C协议 输出数据、10脚小型DFN封装，两个可配置中断引脚，广泛用于姿态检测。

GSM模块选用SIEMENS公司TC35，支持标准AT指令与扩展AT指令，工作在900与1800MHz双频段，兼容RS232接口，完成远程数据传输。TC35电源电压3.3V-4.2V，休眠模式电流2.5mA，空闲模式电流3.5mA，GSM 900收发功率为2W，GSM1800收发功率为1W。

GPS模块采用上海万硅电子有限公司WGL20，基于嵌入式处理芯片SIRFstar，支持48个PRN频道，3.3V电压供电，定位电流57mA、追踪电流47mA，热启动时间小于1S，定位精度大于2.5m，最大移动速度515m/s，接口电平兼容为RS232或TTL，用于各类导航与人员搜救定位。WGL20有三种工作模式：定位模式、追踪模式、休眠模式，系统上电硬件自动进入定位模式搜索、追踪卫星，确定卫星数量、信号载波频率、接收卫星信号；完成后进入追踪模式分析接收卫星数据，对定位数据进行解调，保持追踪；烧写程序时模块转入休眠模式。

蜂鸣器采用三极管放大电路，用于老年人跌倒后完成GSM信号发送的本地报警信号。

电源管理模块采用MC34673单输入全自动电池充电管理器，为单级锂电池提供1.2A充电电流，兼容DC与USB充电，最大输入电压28V，具有恒流充电、涓流充电、过压保护等功能，能满足复杂环境下便携式设备电池管理。

利用本实用新型可穿戴式人体跌倒检测与定位终端的实施信息获取和处理的流程如附图2，首先系统上电初始化各模块，设置工作模式。MMA8652FC具有三种工作模式：OFF模式，VDD<1.8V，传感器所有功能被 禁止器件处于掉电状态，数字时钟与模拟时钟停振，I2C总线停止工作；STANDBY模式，模拟部分停止工作，数字时钟、I2C总线正常工作；ACTIVE模式，器件正常工作状态。设置地址为0X0E系统功能寄存器XYZ_DATA_CFG[1:0]＝0X00传感器采样精度±2g；设置地址为0X27系统功能寄存器PULSE_LTCY[7:0]＝0X01传感器I2C接口输出数据频率为400Hz；设置地址为0X00系统功能寄存器Data Status[7:0]＝0X10传感器数据寄存器数据随时更新；设置地址为0X0B系统功能寄存器SYSMOD[1:0]＝0X00进入ACTIVE正常工作模式，分别从OUT_X、OUT_Y、OUT_Z加速度数据寄存器地址为0X01-0X06高位在前低位在后读出X、Y、Z三轴加速度数据信号。加速度采用三级阈值检测老年人跌倒信号，确保对老年人姿态检测精度。GPS测量跌倒状态经度与维度，GSM模块及时发送跌倒报警信号至手机，通过手机APP接口查询老年人跌倒位置及时救援。

实施例二 使用一种可穿戴式人体跌倒检测与定位终端

利用本系统中所述可穿戴式人体跌倒检测与定位终端做检测老年人跌倒实验，主要关注检测老年人跌倒准确率、GPS定位误差、GSM模块远程发送报警信号实时性。根据老年人日常行为及姿态，将可穿戴式老年人跌倒监测与定位系统系于腰间，模拟跑步、步行、坐下、蹲下、上下楼、弯腰、跌倒等大概率行为，测试系统检测准确率与稳定性，判断老年人跌倒后GPS测试地点与实际跌倒地点误差；记录老年人跌倒事件发生时间与手机接收报警信号时间，测试系统实时性，测试结果如表1。经测试，跑步、步行、坐下、蹲下、上下楼、弯腰等大概率行为没有一次被误认为跌倒，系统检测老年人跌倒行为稳定可靠、精度高，跌倒检 测误差率≤1％，GPS定位距离误差小于2米、实时性高，可广泛用于老年人跌倒检测。

表1使用本实用新型测试结果

本系统利用三轴加速度传感器判断老年人跌倒情况，体积小、精度高；利用GPS模块测试老年人跌倒具体位置，确定跌倒救援位置；利用GSM模块实时远程发送老年人跌倒报警信号，及时救援。实现了人体跌倒检测与定位精细化管理，提高了检测精度与位置测量精度，同时不受环境条件干扰，适用范围广。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种可穿戴式人体跌倒检测与定位终端，其特征在于：所述可穿戴式人体跌倒检测与定位终端包括加速度传感器、控制器、GPS模块、GSM模块、蜂鸣器接口、电源管理模块；所述控制器与所述加速度传感器、GPS模块、GSM模块、电源管理模块、蜂鸣器相连。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式人体跌倒检测与定位终端，其特征在于：所述加速度传感器为数字三轴加速度传感器；所述控制器为嵌入式微控制器；所述电源管理模块为直流电源管理模块。

3.根据权利要求2所述的可穿戴式人体跌倒检测与定位终端，其特征在于：所述加速度传感器采用MMA8652FC的12位数字三轴加速度传感器，检测在X、Y、Z三个方向上的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw；所述控制器采用FPGA SOC嵌入式微控制器；所述电源管理模块采用MC34673单输入全自动电池充电管理器；所述蜂鸣器接口采用三极管放大电路。

4.根据权利要求3中所述的可穿戴式人体跌倒检测与定位终端，其特征在于：所述加速度传感器获取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw经信号处理后传给所述控制器，当所述控制器判断取值超过设定值时，控制器判断为发生跌倒；进而从GPS模块获取位置信息，将指令信号传递给所述GSM模块、蜂鸣器。

5.根据权利要求3、4中任一项所述的可穿戴式人体跌倒检测与定位终端，其特征在于：所述加速度传感器获取的加速度向量幅值SVM、微分加速度幅值绝对平均值MADS、姿态角yaw采用卡尔曼滤波器信号处理。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的可穿戴式人体跌倒检测与定位终 端，其特征在于：所述控制器连接JTAG接口。