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解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?

作者:EEPW
来源:电子产品世界
日期:2018-05-28 15:15:50
摘要:随着社会老年化的加重,老人独居现象越来越普遍。不论对于家人,还是对于社会来说,老人健康都是一个急需解决的问题。老人由于身体各个部分的功能都在退化,因而很容易发生跌倒,而跌倒的发生将会对老人的身心造成无法估量的伤害。所以对老人的跌倒进行检测,研究跌倒报警器具有重要的现实意义。

  随着社会老年化的加重,老人独居现象越来越普遍。不论对于家人,还是对于社会来说,老人健康都是一个急需解决的问题。老人由于身体各个部分的功能都在退化,因而很容易发生跌倒,而跌倒的发生将会对老人的身心造成无法估量的伤害。所以对老人的跌倒进行检测,研究跌倒报警器具有重要的现实意义。

  基于上述原因,本文设计了一种可穿戴于腰部的跌倒报警器,跌倒检测装置内部有加速度计、陀螺仪和磁力计等惯性传感元件,可以实现对老人跌倒的检测,让发生跌倒的老人可以及时得到医疗救援,降低跌倒对老人造成的伤害。

  跌倒报警器研究现状

  跌倒报警器装置是以无线对讲系统作为基础条件研发的新型装置,但就目前跌倒报警器设计情况来说,设计者忽视了老人掌握现代化产品熟练程度。老人由于操作能力与视力逐渐下降,应用现代化设备难度较高。同时,老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度惊吓,无法正确操作跌倒报警器。

  随着科学技术水平显著提升,惯性传感技术的应用领域也越来越广泛,尤其是近年来在跌倒检测领域的应用,大大的降低了跌倒报警器的研发成本。惯性传感技术在跌倒检测应用中主要承担两方面工作,一方面是对老人日常行为进行实时监测,另一方面是利用相关姿态解算算法分析判断跌倒行为的发生。

  工作原理

  老人由于身体机能的衰退,容易失去平衡而发生跌倒。在老人身体跌倒的那一瞬间,老人的身体产生了向下的重力加速度,身体各个部位的加速度也会发生不同程度的变化。为了能够方便对人体跌倒时各种变量的描述,必须建立空间坐标系。

  假设,以人体作为原点,将人体前后方向看成X轴,左右方向看成Y轴,人上下方向看成Z轴。人在实际运动过程中,所产生的加速度是由于人体运动姿态瞬间发生变化而产生的。在老人跌倒的过程中,惯性传感元件将会检测到加速度值和身体倾斜角值,通过分析加速度和角度的变化情况可以判断出人体发生跌倒。

  惯性传感技术主要作用就是通过对老人生活行为进行实时监测,分析判断出跌倒行为的发生。图1是跌倒报警器系统的原理图,MPU6050六轴传感器模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计,通过I2C接口连接STM32,根据传感器不同的地址信息分别读取MPU6050的角速度值和加速度值,然后利用四元数算法和姿态控制算法分析老人身体姿态和运动状态。

解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?

  硬件设计

  跌倒报警器由五部分构成:单片机、通信模块、检测单元、发射模块、家庭电话。中心数据处理模块主要由两部分构成,分别为单片机与通信模块。通过完成对传感器信号的整合处理操作,实现跌倒判断。

  单片机最小系统

  在对单片系统硬件电路设计上,主要由四部分构成,分别为时钟电路、电源电路、复位电路与BDM接口。不同子系统所具有的功能分别为:

  1.时钟电路在应用中,可以为单片机提供晶振;

  2.电源电路所提供的电源电压为5 V,可以为单片机运行提供稳定电压保证;

  3.复位电路在系统电压恢复到正常情况下,向单片机发出复位信号;

  4.BDM接口可以为用户提供专门接口,进而实现下载与调试等操作。

  无线通信模块

解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?

  通信模块电路主要承担数据信息发送与接收任务,同时还可以与读卡器、连接器相连接。通信模块电路所产生的数据在单片机操作指令作用之下,可以实现数据信息双向传输,读取PDU与Text格式信息。本文应用的无线通信模块芯片型号为PSoC27443,进而实现跌倒报警器无线通信功能。无线通信模块电路设计如图3所示。无线通信模块采取编程排列方式,一旦其中一个元器件出现破损情况,可以随时对其进行更替。

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  陀螺仪和加速度计

  陀螺仪通常被用来检测物体旋转的角速度值。本文在设计跌倒报警器度过程中一共运用了两个陀螺仪,分别用来检测老人前后站立角度与侧向站立角度。加速度计被用来检测物体由地球引力作用所产生的加速度值。

  本文选用了MPU6050惯性传感器,该型号的传感器具有体积相对较小、质量轻等优点。图4为加速度计与陀螺仪两者结构结合示意图,为了能够排除老人假摔,降低了对老人跌倒的误判,传感器内的卡尔曼系数采取可调节形式。

解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?

  软件设计

  主要程序

  跌倒报警器系统软件部分一共由三部分构成,分别为传感模块、控制模块与报警模块。首先,跌倒报警器需要初始化设置,初始化设置完毕之后,再检测是否有发送短消息,如果有,则根据跌倒报警器的指示执行相应的操作;如果没有,则检测传感信号,若有传感信号,则根据指示做进一步的处理;如果没有,则检测是否有传感器信号,若有,则根据信号进行相应地操作;如果没有,则返回初始状态,进行下一次检测,如此循环往复。主程序流程如图5所示。

解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?

  短信息编码解析

  目前,短消息模式主要有Text模式和协议数据单元PDU(protocol data unit)模式。使用Text模式收发短信代码简单,实现起来比较容易,但缺点是不能收发中文短信; 而PDU模式不仅支持英文短信,也能发送中文短信。PDU模式收发短信可以使用3种编码方式:

  7 bit编码用于发送普通的ASCII字符;

  8 bit 编码通常用于发送数据消息;

  UCS2编码用于发送16位Unicode字符。

解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?

  为了支持中文短信的收发,本系统采用PDU编码模式。最终设计的基于惯性传感技术的跌倒报警器如图6和图7所示。

解析基于惯性传感技术的跌倒报警器?