基于单片机的老人跌倒检测装置*

马少卿，孙荣霞，马 征

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000)

基于单片机的老人跌倒检测装置*

马少卿，孙荣霞，马 征

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000)

设计了一种基于单片机的老人跌倒检测装置，采用加速度、陀螺仪传感器采集原始信号。在进行数据融合时采用自适应互补滤波算法，从频域角度消除噪声。针对该装置设计了一种计算量小的跌倒检测算法，并且加入了GPS定位装置和GSM短信模块。实验证明该跌倒检测算法计算量小、误判率低，并且能够实现精准定位。

跌倒检测；加速度；无线通信

0 引言

研究表明，老年人跌倒发生率高，后果严重，是老年人的首位伤害死因[1]。而且跌倒的发生概率会随着年龄的增长而升高，如果能够及时救助，可有效降低跌倒老人的死亡率[2]。

目前研究开发人体跌倒检测系统方面的技术主要有两种：图像分析法和加速度分析法[3]。基于图像分析法，准确率高，但是检测算法繁琐，成本高，不方便携带[3]。基于加速度分析法，不但成本低，而且不受环境的限制，功耗低，方便携带[4]。

1 系统总体设计

本设计利用六轴陀螺仪加速度计MPU6050进行原始信号的采集，采样频率为100 Hz，在进行姿态解算时，利用互补滤波器进行滤波，通过对三轴加速信号进行预处理，引入合成加速度。为了能够排除干扰，准确检测出跌倒，将姿态角和合成加速作为特征量，引入三级跌倒检测算法。一旦检测出跌倒，立即对老人的位置进行定位，同时闪光灯闪烁。等待30 s后，如果用户没有手动取消报警，则蜂鸣器发出声响，同时向目标手机和120发出报警短信。系统还设置了一键报警功能。用户的家人可以通过向本装置发送短信来获取老人的当前位置信息，防止老人走丢。

系统的硬件主要包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、GSM/GPRS模块、GPS定位模块、蓝牙4.0模块、以STM32F103ZET6为核心的控制器、电源模块、按键等。系统的结构框图如图1所示。

图1 跌倒检测系统框图

惯性测量单元选用的是InvenSense公司的MPU6050芯片，它能够同时检测三轴加速度和三轴角速度，可以输出数字量，并且传感器的测量范围是可选的。加速传感器的测量范围选择为±8 g，陀螺仪的测量范围选择为±1 000 dps，可以满足系统的要求。其外围电路如图2所示。利用芯片内部的数字运动处理器进行姿态解算，大大降低了开发的使用难度。

图2 MPU6050外围电路

GPS定位模块选用UBLOX公司的NEO-6M模组，该模块体积小、功耗低、搜星能力强，并且可以连接各种有源天线，非常适合应用到便携式设备中。

GSM/GPRS模块选用SIMCOM公司的工业级四频SIM800芯片，可以实现低功耗语音和数据的传输。用户可以通过AT指令进行拨叫号码、接收短信、启动GPRS网络等功能。

蓝牙4.0模块选用HM-13系列的蓝牙模块，用蓝牙进行数据传输最有利的一个方面就是功耗低。低功耗蓝牙技术大幅降低了系统的功耗，只需要用硬币大小的电池即可保证系统正常运行几个月，非常适合应用在便携式设备中。

按键的主要功能是提供手动报警和手动取消报警，以降低系统的漏判和误判对用户造成的损失,同时还设置了一键报警的功能。

2 跌倒检测算法

2.1 特征值预处理

2.2 姿态解算

在进行数据解算时通过对角速度积分获得人体姿态角，短时间内精度高，但是陀螺仪存在漂移误差，经过积分运算后会变成积累误差，最终导致电路饱和。相反利用加速度求解姿态角，其测量误差不会随时间的积累而增加[6]。但是加速度传感器在人体运动时会给测量带来白噪声，短时间内精度较低。

通过上述分析可知，加速度传感器低频段动态响应较好，但是在高频段表现不好。陀螺仪动态响应好，但是存在漂移误差。所以在进行数据融合时采用自适应互补滤波算法，从频域的角度来消除噪声，发挥它们各自的优势，输出稳定可靠的姿态角[7]。互补滤波器的原理框图如图3所示。

图3 互补滤波器原理框图

其中x为实际的姿态角，u1和u2为传感器在测量时引入的高频噪声和低频噪声。加速度传感器引入的高频噪声由低通滤波器F1(s)滤除，陀螺仪引入的低频噪声由高通滤波器F2(s)滤除。两个滤波器在频域上具有互补特性，滤波器的传递函数满足F1(s)+F2(s)=1。

2.3 分类过程

通过上一小节的分析，设计了跌倒检测算法，检测参数为合成加速度和姿态角。为了了解跌倒过程中加速度变化规律，将检测装置放于腰间，测试者模仿老人跌倒，并同时记录测试者三轴加速度变化。选取测试过程中具有代表性的一组数据，用Excel进行绘图分析。如图4所示。

图4 人体跌倒时的合成加速度变化曲线

从图4中可以看出，当人体静止时，合成加速度在1g左右。当测试者跌倒时，其加速度先减小，然后增大，最后趋于平稳。整个过程持续了2 s左右。由此可以得到，跌倒是一个短暂的过程，这一过程测试者经历了失重、撞击和静止三种状态。

跌倒过程中合成加速度最大值在2.6g上下，且有7个连续的采样点合成加速度都在2.0g以上。并且通过对人体姿态角采样，在跌倒后至少有一个姿态角的绝对值大于45°。

用同样的方法模拟老人正常走、快步走、坐下起立、跳跃、跑步等日常活动，同时对合成加速度和姿态角进行了采样、绘图、分析[8]，结果如表1。

表1 运动状态分析

通过上述分析，把连续6个采样点的合成加速度大于2.0g作为分类条件，可将跌倒与正常走等非剧烈运动区分开。同时还可以将跌倒与快步走、跑步等周期性剧烈运动区分开。为了减小误判率，可将跌倒后的类静止状态作为分类条件。最后通过判断人体的姿态，进一步减小误判率。

3 实验结果与分析

为了测试跌倒检测装置的误判率和漏判率，邀请5名志愿者(年龄：23～27岁，身高：160～180 cm，男2人，女3人)分别模仿老人正常走、快步走、坐下、跑步、跳跃等日常活动，共测得125组数据，如表2所示。另外让5名志愿者模仿老人向前、向后、向左、向右跌倒。共测得100组数据。

表2 日常活动检测结果

从表2可以看到，检测装置对于正常走、快步走等运动的误判率为0%，而对于跳跃、跑步等剧烈运动的误判率达4%。考虑到老人进行激烈活动的次数较少，如果出现误判，老人可以手动取消报警信号。

测试者在模仿老人跌倒试验中，向前或向后跌倒时，漏判次数较少，准确率高达92%。但是在向左或向右跌倒时，漏判次数较多。这是由于测试者均为模拟老人跌倒，而且跌倒的方向并不是严格意义上的某一方向，所以会出现不同程度的漏判。在检测到跌倒以后，该装置能够将包含测试者位置信息的短信息完整地发送到目标手机。

4 结论

本文设计了一种基于单片机的老人跌倒检测装置，可以实现对老人跌倒检测，并且利用GPS对老人进行定位，同时将报警信息发送到目标手机上。此装置容易扩展，可加入可燃气体探测器、心率检测传感器，组成一套针对老人健康的检测系统。

[1] 王剑.基于MEMS三轴加速度计的跌倒检测电路的设计[J].自动化技术与应用,2013,32(6):81-84.

[2] 陈炜,佟丽娜,宋全军,等.基于惯性传感器件的跌倒检测系统设计[J].传感器与微系统,2010,29(8):117-119.

[3] 王荣,章韵,陈建新.基于三轴加速度传感器的人体跌倒检测系统设计与实现[J].计算机应用,2012,32(5):1450-1452.

[4] 徐雷,张瑾,马腾,等.基于GSM网络的老年人身体姿态检测系统设计[J].信息化研究,2014,40(6):65-68.

[5] 谷敏敏,刘进军,安宁.基于多姿态识别的被动入侵检测模型研究[J].传感器与微系统,2015,34(6):17-20.

[6] 孙金秋,游有鹏,傅忠云.基于自适应显式互补滤波的姿态解算方法[J].测控技术，2015,34(4):24-27.

[7] 杜波,张卓,刘垚.卡尔曼滤波在人体姿态检测中的应用[J].长春工程学院学报(自然科学版),2015,16(3):98-101.

[8] 李易陆,陈洪波,蒋晓旭,等.基于三轴加速度传感器的人机交互智能手环[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(5):412-415.

西门子推出高性价比基本型工控机

·全新Simatic IPC327E箱式PC和Simatic IPC377E平板式PC进一步扩展了Simatic IPC产品线

·最佳用于对性价比要求较高的应用

·应用广泛：HMI、装配工作站、仓储物流、数据采集和网络以及图像处理等

·8种配置，直接库存供货，交货期短，可选配12、15或19英寸单点触摸宽屏显示器

西门子近日再次扩展其工控机系列，推出了Simatic IPC327E箱式PC和Simatic IPC377E面板式PC。这两款无风扇基本型工控机针对诸多工业自动化应用进行了优化，性价比更高，尤其适用于HMI(人机界面)应用、组装工作站、仓储物流、数据采集(如生产和能源数据)，以及生产网络和简单的图像处理。与已可供货的Simatic IPC347E机架式PC一起，专门设计用于机器制造商、分销商和系统集成商。该系列工控机免维护，可连续24小时运行，采用最新PC技术，配有多种实用接口。目前，可现货交付8款预配置型号：带12、15或19英寸单点触摸式宽屏显示器的面板式PC和箱式PC。用户可选择预装Windows 7 Ultimate操作系统。

如果对工业环境中的证书、温度范围或保护等级无特定要求，使用全新Simatic IPC327E和IPC377E基本型工控机，可快速实施相关应用。与所有Simatic工控机一样，均为最高质量打造，最佳适用于工业环境，提供有丰富选件，部件之间可完美协同，无风扇设计，配有密封机箱，坚固可靠，使用寿命长。采用最先进PC技术，配有多种接口，可轻松集成到新的和现有自动化解决方案中。均配有一个Intel Celeron四核处理器、一个500 GB硬盘、一个VGA和DisplayPort口、一个PCIe迷你接口、两个千兆以太网接口和多达六个COM口和USB 3.0接口。

全新Simatic IPC327E箱式PC和Simatic IPC377E基本型面板式PC进一步完善了西门子Simatic工控机产品线。包括可扩展基本型、高级型、高端型和嵌入型箱式、面板式和机架式PC，以及专用型号。Simatic工控机系列，涵盖从紧凑型无风扇嵌入式工控机到功能强大的可扩展高端工控机，均为工业应用而专门设计。对于移动自动化工程，用户还可使用Simatic现场编程器和Simatic便携式工控机。

如需了解更多信息，请访问西门子中国网站：www.siemens.com.cn。

(西门子(中国)有限公司 供稿)

The fall detection device based on single chip microcomputer

Ma Shaoqing，Sun Rongxia，Ma Zheng

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071000, China)

An elders fall detection device based on single chip microcomputer is designed in this paper. Accelerometer and gyro sensor are used to acquire the original signal. In the data fusion using adaptive complementary filtering algorithm, from the frequency domain to eliminate noise. A fall detection algorithm with small computation is designed, and the GPS positioning device and GSM SMS module are added. Experimental results show that the algorithm has the advantages of low computational complexity, low false positive rate, and accurate positioning.

fall detection；acceleration；wireless communication

河北省研究生创新资助项目(S2016015)

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.029

马少卿，孙荣霞，马征.基于单片机的老人跌倒检测装置[J].微型机与应用，2017,36(9)：100-102，105.

2016-12-08)

马少卿(1992-)，通信作者，男，在读硕士研究生，主要研究方向：惯性传感器信号处理，无线传感网络。E-mail:2318923688@qq.com。

孙荣霞(1960-)，女，本科，高级工程师，硕士研究生导师，主要研究方向：分析仪器、环境监测、检测技术及自动化装置。

马征(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：检测技术及自动化装置。