基于Arduino Uno平臺(tái)的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

王 剛

（北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，北京 100124）

基于Arduino Uno平臺(tái)的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

王 剛

（北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，北京 100124）

利用基于ATmega328P單片機(jī)的Arduino Uno硬件平臺(tái)、三軸加速度傳感器ADXL345和集成GPS導(dǎo)航技術(shù)的四頻GSM/GPRS模塊SIM908，設(shè)計(jì)一種老年人跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。傳感器采集的人體三軸加速度值通過(guò)I2C總線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)提取人體跌倒過(guò)程的特征值設(shè)計(jì)跌倒檢測(cè)算法。檢測(cè)出跌倒發(fā)生后，將跌倒位置通過(guò)短信發(fā)送出去進(jìn)行報(bào)警。

Arduino；ADXL345；SIM908；跌倒檢測(cè)；報(bào)警

引 言

隨著人類生活水平的不斷提高，人口老齡化成為一個(gè)全球性的發(fā)展趨勢(shì)。目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)［1］，老年人的身心健康問(wèn)題得到人們更多的關(guān)注。老年人因生理結(jié)構(gòu)衰老和身體機(jī)能減退，發(fā)生意外跌倒的概率和頻率非常高［2］。跌倒可以導(dǎo)致老年人身體組織挫傷、骨折甚至危及生命，并從心理上給老年人造成了壓力和恐懼感。實(shí)際上很多傷亡并不是由于意外跌倒本身造成的，而是由于跌倒發(fā)生后，老年人沒(méi)有得到及時(shí)的救治造成的［3］。因此，在老年人發(fā)生跌倒后，如何盡早被發(fā)現(xiàn)，并發(fā)出求救信號(hào)進(jìn)行及時(shí)救治變得格外重要。為了老年人更健康地生活，研究設(shè)計(jì)一個(gè)老年人的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有十分重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。

目前，研究開(kāi)發(fā)人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)方面的技術(shù)有很多種，最常見(jiàn)的是圖像分析和加速度分析法。參考文獻(xiàn)［4］～［6］都是基于視頻圖像分析的室內(nèi)跌倒自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，這種技術(shù)準(zhǔn)確性高，人體動(dòng)作清晰可見(jiàn)，但需要多部攝像機(jī)同時(shí)工作，暴露了用戶的個(gè)人隱私，而且監(jiān)測(cè)范圍有限，受環(huán)境的影響也很大。另一種加速度分析方法，主要基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electromechanical System，MEMS）傳感器。MEMS技術(shù)近幾年得到了快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在跌倒檢測(cè)、狀態(tài)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等方面。參考文獻(xiàn)［7］～［9］都是利用MEMS技術(shù)進(jìn)行人體跌倒檢測(cè)的，目前國(guó)內(nèi)一些基于MEMS技術(shù)的跌到檢測(cè)雖可較好實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)，但大多計(jì)算量較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，難以得到廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)一種基于Arduino和三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集人體加速度參數(shù)和地理位置信息，應(yīng)用于老年人意外跌倒后及時(shí)報(bào)警，兼具了性價(jià)比高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高、低功耗、可擴(kuò)展的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由Arduino最小系統(tǒng)、加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

Arduino實(shí)時(shí)接收加速度參數(shù)采集模塊傳來(lái)的人體加速度參數(shù)值，單片機(jī)通過(guò)接收來(lái)的加速度值，使用跌倒檢測(cè)算法來(lái)判斷穿戴者的體態(tài)，如果檢測(cè)到跌倒的發(fā)生，便觸發(fā)跌倒報(bào)警機(jī)制。當(dāng)?shù)拱l(fā)生時(shí)，通過(guò)GPS定位模塊捕獲到穿戴者的具體地理位置，然后發(fā)出包含跌倒位置的報(bào)警求救信息，通知佩戴者的監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療機(jī)構(gòu)，進(jìn)行后續(xù)的救治。本系統(tǒng)在考慮這些功能需求的前提下，采用Arduino為控制核心，外圍連接加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

圖1 跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括微控制器最小系統(tǒng)、加速度參數(shù)采集模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊，以及各個(gè)模塊之間的連接。

2.1 Arduino平臺(tái)

Arduino是一款基于開(kāi)源的電子原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路設(shè)計(jì)的電路板，基于AVR系列單片機(jī)和ARM微控制器，有豐富的外設(shè)接口和硬件資源；軟件部分則是Arduino IDE，是計(jì)算機(jī)中的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境［10］。Arduino的模塊化設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

其中，微控制器最小系統(tǒng)選用Arduino Uno，它是基于Atmel公司的ATmega328P單片機(jī)的硬件平臺(tái)，具有32KB Flash、1KB EEPROM、14路數(shù)字輸入/輸出接口（其中6路可用于PWM輸出）、6路模擬輸入接口。同時(shí)，Uno預(yù)置了Bootloader程序，不需要其他外部燒寫器，可以直接通過(guò)USB下載程序。

2.2 加速度傳感器ADXL345

ADXL345是ADI公司推出的基于iMEMS技術(shù)的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有多種可變的測(cè)量范圍且具有高分辨率、高靈敏度、超小封裝、超低功耗、標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口、32級(jí)FIFO存儲(chǔ)，以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活的中斷方式等特性［11］。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡(jiǎn)化跌倒檢測(cè)算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測(cè)器應(yīng)用的加速度傳感器。圖2為ADXL345功能框圖。

ADXL345標(biāo)準(zhǔn)的I2C數(shù)字接口可以和Arduino Uno 的I2C接口方便地進(jìn)行通信，將ADXL345采集到的人體三軸加速度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)進(jìn)行跌倒檢測(cè)算法處理，圖3給出了ADXL345和單片機(jī)之間的I2C總線典型連接圖。ADXL345的引腳接高電平，表示ADXL345工作在I2C模式。SDA和SCL是I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，分別連接到Arduino Uno相應(yīng)的I2C總線接口（A4和A5）。ADXL345的INT1引腳連接到Arduino Uno的INT0（Pin2），用來(lái)產(chǎn)生中斷信號(hào)。

2.3 GPS定位和GSM通信模塊SlM908

圖2 ADXL345功能框圖

3 ADXL345和單片機(jī)之間的l2C典型連接圖

SIM908是一款集成了高性能GSM/GPRS引擎和GPS引擎的芯片。其中的GSM/GPRS引擎可以工作在GSM 850MHz、EGSM 900MHz、DCS 1800MHz和PCS 1900MHz四個(gè)頻段；GPS引擎具有一流的采集和跟蹤靈敏度、TTFF（Time-To-First-Fix）和準(zhǔn)確度［12］，這些特性可以很好地完成跌倒位置定位和發(fā)送報(bào)警信號(hào)的任務(wù)。在SIM908芯片上可以同時(shí)完成GPS定位和GSM通信功能，可以大大減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量和功耗。圖4為SIM908的功能框圖，通過(guò)UART口與Arduino Uno進(jìn)行通信，RXD和TXD分別與Uno的TXD和RXD相連，完成跌倒位置的GPS數(shù)據(jù)捕獲和發(fā)送GSM報(bào)警短信功能。

圖4 SlM908功能框圖

3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 跌倒檢測(cè)算法

對(duì)跌倒檢測(cè)原理的研究主要是找到人體在跌倒過(guò)程中的加速度變化特征。加速度在不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化曲線略——編者注，包括步行上樓、步行下樓、坐下、起立。

由于老年人的運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較慢，所以在普通的步行過(guò)程中，加速度變化不會(huì)很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動(dòng)作中Y軸加速度（和加速度矢量和）上有一個(gè)超過(guò)3g的尖峰，這個(gè)尖峰是由于身體與椅子接觸而產(chǎn)生的。而跌倒過(guò)程中的加速度變化則完全不同，意外跌倒過(guò)程中的加速度變化曲線略——編者注。通過(guò)比較，可以發(fā)現(xiàn)跌倒過(guò)程中的加速度變化有4個(gè)主要特征，可以作為跌倒檢測(cè)的準(zhǔn)則。

失重：在跌倒的開(kāi)始都會(huì)發(fā)生一定的失重現(xiàn)象。在自由落體的下降過(guò)程中，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)更加明顯，加速度的矢量和會(huì)降低到接近0g。對(duì)于一般的跌倒，也會(huì)發(fā)生合加速度小于1g的情況。因此，這可以作為跌倒?fàn)顟B(tài)的第一個(gè)判斷依據(jù)，由ADXL345的Free＿Fall中斷來(lái)檢測(cè)。

撞擊：失重之后，人體發(fā)生跌倒的時(shí)候會(huì)與地面或其他物體發(fā)生撞擊，在加速度曲線中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊，這個(gè)沖擊可以通過(guò)ADXL345的Activity中斷來(lái)檢測(cè)。因此，F(xiàn)ree＿Fall中斷之后，緊接著產(chǎn)生Activity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第二個(gè)判斷依據(jù)。

靜止：人體在跌倒后，也就是撞擊發(fā)生之后，不可能馬上起來(lái)，會(huì)有短暫的靜止?fàn)顟B(tài)（如果人因?yàn)榈苟鴮?dǎo)致昏迷，甚至可能是較長(zhǎng)時(shí)間的靜止）。表現(xiàn)在加速度曲線上就是會(huì)有一段時(shí)間的平穩(wěn)，可以通過(guò)ADXL345的Inac-tivity中斷來(lái)檢測(cè)。因此，Activity中斷之后的Inactivity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第3個(gè)判斷依據(jù)。

與初始狀態(tài)比較：跌倒之后，人體會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因此人體的方向會(huì)與原先靜止站立的姿態(tài)不同，這使得跌倒之后的靜止?fàn)顟B(tài)下的三軸加速度數(shù)值與初始狀態(tài)下的不同。因此，跌倒檢測(cè)的第4個(gè)依據(jù)就是跌倒后的靜止?fàn)顟B(tài)下加速度值與初始狀態(tài)發(fā)生變化，且矢量變化超過(guò)一定的門限值。

這4個(gè)判斷依據(jù)綜合在一起，構(gòu)成了完整的跌倒檢測(cè)算法，可以對(duì)跌倒?fàn)顟B(tài)給出報(bào)警。另外，如果跌倒造成了嚴(yán)重的后果（比如，導(dǎo)致了人的昏迷），那么人體會(huì)在更長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都保持靜止，這個(gè)狀態(tài)仍然可以通過(guò)Inactivity中斷來(lái)檢測(cè)。也就是說(shuō)，如果發(fā)現(xiàn)在跌倒之后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都保持Inactivity狀態(tài)，可以再次給出一個(gè)嚴(yán)重報(bào)警。算法流程圖如圖5所示。

圖5 算法流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒、向右跌倒等不同跌倒姿勢(shì)以及跌倒后是否有長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)的情況分別進(jìn)行了10次測(cè)試，表1中給出的是相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將加速度傳感器ADXL345、GPS和GSM模塊SIM908與Arduino Uno平臺(tái)結(jié)合在一起，通過(guò)加速度傳感器采集人體三軸加速度值，實(shí)時(shí)檢測(cè)人體體態(tài)，完成對(duì)人體跌倒的檢測(cè)和報(bào)警。整體設(shè)計(jì)具有成本低、可靠性高、算法復(fù)雜度低、檢測(cè)準(zhǔn)確度高和可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用性，可以滿足對(duì)人體跌倒檢測(cè)報(bào)警的需要。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

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圖10 LCL濾波效果仿真和實(shí)測(cè)波形

結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了單相光伏逆變器A/D采樣硬件電路和軟件算法、鎖相環(huán)硬件和編程思路、濾波器設(shè)計(jì)方法3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。按照文中所提供的參數(shù)，研制了一臺(tái)300 W的試驗(yàn)樣機(jī)。圖11為樣機(jī)并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓仿真和實(shí)測(cè)波形，由圖可知，并網(wǎng)電流追蹤電網(wǎng)電壓效果良好。

圖11 電流跟蹤電壓仿真和實(shí)測(cè)并網(wǎng)波形

參考文獻(xiàn)

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賈永博（碩士），研究方向?yàn)楣夥孀?、無(wú)功補(bǔ)償。

（責(zé)任編輯：薛士然 收稿日期：2015-01-03）

Fall Detection Alert System Based on Arduino Uno※

Wang Gang
（School of Software Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A fall detection alert system for the older people is designed using Arduino Uno hardware platform based on ATmega328P，triaxial accelerometer ADXL345and quad-band GSM/GPRS module SIM908integrated with GPS navigation.The sensor collects triaxial accelerations on the body and transmits to the microcontroller for processing via I2C bus，then designs a fall detection algorithm by detecting characteristics during the fall.It will send location messages out for an alert after detecting fall.

Arduino；ADXL345；SIM908；fall detection；alert

TP391

A

??薛士然

2015-01-19）