一種基于rfid的跌倒檢測裝置制造方法
【專利摘要】一種基于RFID的跌倒檢測裝置，包括壓力傳感器有源電子標簽和閱讀器模塊，所述壓力傳感器有源電子標簽用以檢測使用者腳踩力的壓力傳感器模塊，所述壓力傳感器模塊與模數(shù)轉換模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊與第一單片機連接，所述第一單片機與第一無線射頻模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊、第一單片機、第一無線射頻模塊均與第一電源連接，所述第一無線射頻模塊與第一天線連接；所述閱讀器模塊包括第二無線射頻模塊、第二單片機和第二天線，所述第二天線與第二無線射頻模塊連接，所述第二無線射頻模塊與所述第二單片機連接。本實用新型精度高、低成本。
【專利說明】-種基于RFID的跌倒檢測裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及跌倒檢測領域，尤其涉及的是一種跌倒檢測裝置。

【背景技術】
[0002] RFID技術作為物聯(lián)網發(fā)展的關鍵技術，自第二次世界大戰(zhàn)誕生以來，由于RFID技 術簡單實用易于操作，成本的急劇下降以及功能的不斷提升，并逐漸取代了傳統(tǒng)條形碼，在 各個領域的產品追蹤、識別和系統(tǒng)構建中得到廣泛應用。未來的市場RFID將成為重心，此 應用也將逐漸得到普及，成為當下不可或缺的重要無線通信技術。
[0003] 現(xiàn)在的跌到系統(tǒng)檢測判斷是否跌倒的方法一般有：基于穿戴式的跌到檢測，一般 是將加速度傳感器數(shù)據采集模塊佩戴在腰間，當加速度達到跌倒閥值時，便判斷為跌倒，還 有含有穿戴于腳掌的壓力傳感器，左右腳掌各一個，根據掌心的壓力來判斷是否跌倒；針對 所攝圖像分析對象的實際運動，即判斷人體姿態(tài)是否正常；基于聲學信號的跌到檢測，即根 據跌倒沖擊地面導致震動的頻率值來判斷人體是否跌倒。通過這些方法來檢測跌倒，存在 以下幾個問題：1)被穿戴人腰間的加速度檢測對跌倒條件的要求高且容易產生誤判；2)對 人體圖像，即姿態(tài)進行分析，不能足夠的保障用戶的隱私且對光線等環(huán)境因素要求較高，誤 差較大且?guī)聿槐悖?)至于腳掌的兩壓力傳感器不能完整的反應人體姿態(tài)狀況以及人體重 心位置，精度不夠，也使得誤判率增加；4)對聲學信號的檢測，其安裝復雜，同時受環(huán)境因素 非常大，當材質等發(fā)生變化時，誤差也就產生，且投入較大；


【發(fā)明內容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有跌到檢測系統(tǒng)的精度低的不足，本實用新型提供了一種精度高、低 成本的基于RFID的跌倒檢測裝置。
[0005] 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] -種基于RFID的跌倒檢測裝置，包括壓力傳感器有源電子標簽和閱讀器模塊，所 述壓力傳感器有源電子標簽用以檢測使用者腳踩力的壓力傳感器模塊，所述壓力傳感器模 塊與模數(shù)轉換模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊與第一單片機連接，所述第一單片機與第一無 線射頻模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊、第一單片機、第一無線射頻模塊均與第一電源連接， 所述第一無線射頻模塊與第一天線連接；
[0007] 所述閱讀器模塊包括第二無線射頻模塊、第二單片機和第二天線，所述第二天線 與第二無線射頻模塊連接，所述第二無線射頻模塊與所述第二單片機連接。
[0008] 進一步，所述閱讀器模塊與USB轉串口模塊連接，所述USB轉串口模塊與PC端連 接。
[0009] 更進一步，所述壓力傳感器模塊安置在使用者所穿的鞋子的鞋墊內，在鞋底安置 模數(shù)轉換模塊、第一單片機、第一電源模塊和第一無線射頻收發(fā)模塊。
[0010] 所述壓力傳感器模塊包括用于檢測第3?4跖骨的腳踩力的跖骨傳感單元，用于 檢測足跟的腳踩力的足跟傳感單元。
[0011] 本實用新型的技術構思是：本實用新型采用了已廣泛應用的RFID技術，首先由PC 端做出命令最終傳送到腳底的第一單片機C8051F020后，第一單片機C8051F020控制壓力 傳感器ICSensorsl451開始采集數(shù)據，再由壓力傳感器ICSensorsl451接收數(shù)據并經過第 一單片機C8051F020分析后，再傳輸給NRF24L01無線射頻模塊后經由PCB天線發(fā)送出去。 當閱讀器模塊接收到來自于壓力傳感器有源電子標簽的數(shù)據后，再將數(shù)據進行處理，處理 之后再將數(shù)據通過USB轉串口模塊傳輸給PC端進行進一步數(shù)據分析，PC端接收到信息之 后便即可根據人體腳底此時的重心情況來判斷人體是否跌倒。
[0012] 本實用新型的有益效果是：判斷過程迅速，裝置簡單，更精確且有效地判斷人體行 走時是否跌倒；壓力傳感器合理分布，正確掌握了人體行走時的重心分布狀況，并加以利用 形成判斷；擴大了被檢測人活動范圍，一定程度上保障了被檢測者的安全；在保護用戶隱 私同時，降低誤判率，實現(xiàn)了低功耗、低成本裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是基于RFID的跌倒檢測裝置搭建圖。
[0014] 圖2是閱讀器模塊結構圖。
[0015] 圖3是電源模塊供電電路圖。
[0016] 圖4壓力傳感器與模數(shù)轉換單元及第一單片機連接線路圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖做進一步說明。
[0018] 參照圖1?圖4,一種基于RFID的跌倒檢測裝置，在鞋墊內安裝壓力傳感器模塊 11，在鞋底安裝模數(shù)轉換單元1、第一單片機3、第一無線射頻模塊4、電源模塊2、天線5,其 中，電源模塊2、模數(shù)轉換單元1和第一無線射頻模塊4分別和第一單片機3相連，壓力傳 感器模塊11與模數(shù)轉換單元1、電源模塊2相連，天線5與第一無線射頻模塊4相連；在PC 端9安置天線6、閱讀器模塊7、USB轉串口模塊8,其中，閱讀器模塊6和PC端9分別與USB 轉串口模塊8相連，天線6和閱讀器模塊7相連；在閱讀器模塊內部中，第二天線6與高集 成度無線收發(fā)芯片10相連。
[0019] 壓力傳感器有源電子標簽內部通信：此標簽先由壓力傳感器在腳底分區(qū)采集數(shù) 據，再經模數(shù)轉換單元模數(shù)轉換與第一單片機數(shù)據分析，最后由第一無線射頻模塊編碼處 理之后經PCB天線發(fā)送出去。其中由電源模塊為各部分供電。
[0020] 壓力傳感器的選型：壓力傳感器種類很多，如電容式、壓阻式、壓電式等，其中絕大 多數(shù)存在體積太大或者精確度差等原因，不適合用于測量足底壓力。所以本系統(tǒng)采用的傳 感器需要有體積小、量程大、精度高等特點。根據研究，正常人的足底壓力平均最大峰值為 (385±90)kpa，綜合考慮足底壓力測量的多個因素，最終選擇了 ICSenS〇rsl451壓力傳感 器芯體。
[0021] ICSensorsl451提供四個引腳：輸出+、輸出-、電源+、電源-。ICSensorsl451壓 力傳感器芯體的量程為〇_l〇〇psi(lpsi=6. 895KPa)。精確度為：±0. 25%非線性，供電電壓 3V，工作溫度_40°C?+125°C。其為超小型、低功耗，并提供引壓接口，且工作穩(wěn)定。
[0022] 模數(shù)轉換單元的選型：由于本檢測系統(tǒng)要求的精度高，所以對模數(shù)轉換單元的精 度要求也相對較高。本系統(tǒng)采用16位的AD7705進行模數(shù)轉換。AD7705提供了 AIN1 (+)、 AIN1 (-)、DIN、DOUT、SCLK等引腳，方便與壓力傳感器相連接?？赏ㄟ^以下公式計算出 AD7705的精度：
[0023] l=a/2bKpa
[0024] 式中：1 一可以精確到的壓力值，a-量程，b-ADC的位數(shù)。
[0025] 其中，a=700Kpa，當 b=12 的時候，1=0. 171Kpa ;當 b=16 時，1=0. 0107Kpa。
[0026] 所以選擇AD7705芯片。
[0027] 單片機的選型：本系統(tǒng)單片機采用C8051F020單片機，C8051R)20單片機是一款高 度集成的片上系統(tǒng)。它具有64K字節(jié)可在線系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4352 (4096+256)字 節(jié)的RAM?？偩€接口類型豐富，擁有兩個UART串行接口、SPI (串行外設接口）和SMBus (系 統(tǒng)管理總線）/I2C (集成電路間總線)。其單周期指令運行速度是8051的12倍。
[0028] 第一無線射頻模塊的選型：本壓力傳感器有源電子標簽采用NRF24L01無線射頻 芯片，它是一款工作在2. 4GHz?2. 5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線 收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型ShockBurst?模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調 制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可通過SPI接口進行設置。其有極低的 電流消耗特點，發(fā)射模式下電流消耗（2000kbps) 11. 3mA。且最低供電電壓為1.9V。同時， NRF24L01有豐富的外設接口。
[0029] 第一天線的選型：由于考慮到標簽體積小，所以本系統(tǒng)天線采用了 PCB單端天線。
[0030] 電源模塊的選型：電源模塊采用CR2025紐扣電池，其標稱電壓為3V。電源模塊共 采用五個CR2025紐扣電池。其中四個CR2025紐扣電池串聯(lián)，其供電電壓值達到12V。其中 壓力傳感器工作電壓為3V，壓力傳感器由一個CR2025紐扣電池單獨供電。C8051R)20本身 是3. 3V電壓的系統(tǒng)，無線射頻模塊NRF24L01有寬電壓工作范圍：1. 9V?3. 6V，AD7705芯 片需要+5V，AD7705的基準電壓需要2. 5V電源。因此，另一部分供電模塊設計為2. 5V、3. 3V 與5V混合直流電源。
[0031] 參照圖3,電源模塊供電電壓為12V，通過三端電壓芯片AMS1117-5. 0芯片得到5V 直流電源；再通過采用三端電壓芯片AMS1117-3. 3制作一個3. 3V的直流電源。因 AD780輸 入電壓為5V，輸出電壓為2. 5V，所以以此作為AD7705的參考電壓。
[0032] 閱讀器模塊與標簽之間的通信：當壓力傳感器有源電子標簽將數(shù)據通過第一天線 發(fā)送出去后，由閱讀器模塊的第二天線接收，再由第二天線傳輸給第二無線射頻模塊，經第 二無線射頻模塊處理之后再傳輸至第二單片機，其中由USB轉串口模塊為閱讀器各模塊部 分供電。
[0033] 第二天線的選型：閱讀器模塊中采用了比較通用、靈敏度好的3. 5dB的鞭狀天線。 可彌補第一天線的不足。
[0034] 第二無線射頻模塊、第二單片機的選型：此部分采用了 NORDIC公司生產的 NRF24LE1高集成度無線收發(fā)芯片。NRF24LE1內嵌2. 4Ghz低功耗無線收發(fā)內核NRF24L01， 且有高性能51內核，是標準51速度的12倍，并提供了豐富的外設：SPI，IIC，UART，6至12 位ADC，PWM和一個用于電壓等級系統(tǒng)喚醒的超低功耗模擬比較器。其內置電壓調節(jié)器，可 工作在1.9V?3. 6V下。其最大傳輸速率可達2Mbit/s，且其與壓力傳感器電子標簽中的 NRF24L01間可進行通信，更方便本系統(tǒng)的數(shù)據傳輸。
[0035] USB轉串口的選型：USB轉串口選用PL2303USB轉串口，其內置USB功能控制器、 USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn) USB信號與RS232信號的轉換，能夠方便嵌入到各種設備，PL2303USB轉串口模塊提供四個 引腳VCC、GND、TXD、RXD，輸出電壓有3. 3V和5V兩種模式，支持UART接口，可與NRF24LE1 相連并對其供電。
[0036] 閱讀器模塊與PC的通信：第二單片機將數(shù)據處理之后，通過USB轉串口模塊將傳 輸數(shù)據至PC端，再由PC端顯示，從而進行進一步重心分析，即可判斷人體是否跌倒。
[0037] 進一步，所述的一種基于RFID的跌到檢測系統(tǒng)，壓力傳感器有源電子標簽部 分。電源模塊供電及壓力傳感器模塊、模數(shù)轉換模塊和第一單片機的線路連接如圖3、 圖4所示。首先電源模塊給各個模塊供電，使各部分進入工作狀態(tài)。再由壓力傳感器 ICSensorsl451采集數(shù)據，壓力傳感器ICSensorsl451分布于左右腳底第3?4妬骨處 和足跟處。然后通過輸出端口連接模數(shù)轉換單元AD7705進行模數(shù)轉換，AD7705的SCLK、 DIN、D0UT信號分別與第一單片機C8051F020的SCK、MOSI、MIS0信號連接。通過單片機 C8051R)20的數(shù)據分析在傳輸給無線射頻模塊NRF24L01，再交由PCB單端天線發(fā)送。壓力 計算值如下：
[0038] F=0. 035*U
[0039] 式中F為壓力值，單位為牛頓（N) ;U為電壓值，單位為毫伏（mv)。
[0040] F即為人體在測量點的壓力值。
[0041] 再進一步，所述的一種基于RFID的跌到檢測系統(tǒng)，讀器與標簽之間的通信處理。 閱讀器模塊的NRF24LE1中第二單片機對前十次接收到的從左右兩腳傳來的壓力值進行儲 存，并以最小值(MIN)到最大值（MAX)作為標準范圍，在十次之后再進行差值計算。閱讀器 模塊的第二天線接收標簽傳來的信息后交由NRF24LE1中第二無線射頻模塊，進行解碼、識 別等處理，在傳輸給NRF24LE1中第二單片機進行進一步數(shù)據處理。由于RFID閱讀器接收的 信息為左右兩腳信息，則應對左右兩腳共四部分信息做各自的標簽識別，如左腳：〇1，右腳： 02。再做進一步儲存或分析比較。
[0042] 第二單片機具體信息處理如下：（以左右腳其中一只為基準）
[0043] 第 3 ?4 跖骨：F0 - F (MIN) =F2
[0044] F0 - F (MAX) =F3
[0045] 足跟：FI - F (MIN) =F4
[0046] FI - F(MAX)=F5
[0047] 式中，為單片機接收的人體行走十次之后第3?4跖骨的壓力值，F(xiàn)I為接收到 的足跟的壓力值。F(MIN)為所述儲存的第3?4跖骨或足跟前十次數(shù)據的最小值，F(xiàn)(MIN) 為所述儲存跖骨或足跟前十次數(shù)據的最大值。只有當F2 > 0且F3 < 0或F4 > 0且F5 < 0 時，F(xiàn)0、F1才在標準范圍內。
[0048] 當兩腳各自的F2、F3、F4、F5通過第二單片機計算出來之后，再通過USB轉串口模 塊傳送至PC端進行進一步的數(shù)據分析，在做出判斷。
[0049] 更進一步，所述的一種基于RFID的跌到檢測系統(tǒng)，閱讀器模塊與PC之間的通信， 閱讀器模塊對兩腳信息做出分析并得出標準壓力差值后，將數(shù)據通過USB轉串口傳輸至PC 端，并在PC中通過調用重力分析軟件來計算、判斷出人體是否跌倒。可知，在人行走過程 中，一腳前足著地，另一腳足跟也著地。當測得左腳前足壓力值時，右腳足跟此時應有壓力， 即在行走時，一腳第3?4跖骨與另一腳足跟有壓力值且此壓力值應在標準范圍內。重力 分析軟件基于此情況來判斷人體是否跌倒。
[0050] 本實用新型實施中，在壓力傳感器有源電子標簽部分，電源模塊、模數(shù)轉換單元 AD7705和第一無線射頻模塊NRF24L01分別和單片機C8051F020相連，壓力傳感器模塊 ICSenS〇rsl451與模數(shù)轉換單元AD7705、電源模塊相連，PCB單端天線與第一無線射頻模塊 NRF24L01相連；在PC端，閱讀器模塊和PC分別與PL2303USB轉串口相連，鞭狀天線和閱讀 器模塊相連；閱讀器模塊中，NRF24LE1高集成度無線收發(fā)模塊與鞭狀天線相連。
[0051] 首先，將被保護者穿好含有（0) (1) (2) (3) (4) (5)的壓力傳感器有源電子標簽 鞋，此時電源模塊為標簽各部分進行供電，電源模塊采用混合直流電源進行供電，由CR2025 提供的電壓通過三端電壓芯片AMS1117-5. 0芯片得到5V直流電源，再通過采用三端電壓芯 片AMS1117-3. 3制作一個3. 3V的直流電源為C8051R)20提供電源。由5V直流電源經AD780 輸出電壓2. 5V，以此作為AD7705的參考電壓。同時壓力傳感器ICSensorsl451獲得由單個 CR2025提供的3V電壓。這樣，位于鞋內的壓力傳感器有源電子標簽各模塊均進入正常工作 狀態(tài)。然后由PC端控制開始采集數(shù)據。這時，被保護者開始行走后，通過位于左右兩腳共 四個壓力傳感器ICSens 〇rs1451采集左右兩腳（即第3?4跖骨與足跟）數(shù)據，并通過其輸 出+與輸出-將所測得的數(shù)據傳輸給AD7705模數(shù)轉換單元進行模數(shù)轉換，其中AD7705的 AIN ( + ) AIN (-)來接收ICSensorsl451所傳來的數(shù)據。經AD7705模數(shù)轉換后的數(shù)字信 號將傳送給第一單片機C8051F020進行第一步數(shù)據分析，再將分析后的數(shù)據傳輸給第一無 線射頻模塊NRF23L01進行編碼、加密等處理，再由PCB天線將數(shù)據傳輸出去。這個過程所 涉及到的計算：
[0052] F=0. 035*U
[0053] 式中F為壓力值，單位為牛頓（N) ;U為電壓值，單位為毫伏（mv)。
[0054] F即為人體在測量點的壓力值。
[0055] 接著，由位于PC端的閱讀器模塊的鞭狀天線接收左右兩腳共四個區(qū)域的數(shù)據，再 交由NRF24LE1高集成度無線收發(fā)模塊做進一步分析，其內置的第二單片機將對人體正常 行走的前十次的四個區(qū)域數(shù)據做整理并儲存，由此獲得被保護者的標準范圍，在十次之后 進入差值計算。此過程涉及到的計算：
[0056] 第 3 ?4 跖骨：F0 - F (MIN) =F2
[0057] F0 - F (MAX) =F3
[0058] 足跟：FI - F (MIN) =F4
[0059] FI - F(MAX)=F5
[0060] 式中，為單片機接收的人體行走十次之后第3?4跖骨的壓力值，F(xiàn)I為接收到 的足跟的壓力值。F(MIN)為所述儲存的第3?4跖骨或足跟前十次數(shù)據的最小值，F(xiàn)(MIN) 為所述儲存跖骨或足跟前十次數(shù)據的最大值。只有當F2 > 0且F3 < 0或F4 > 0且F5 < 0 時，F(xiàn)0、F1才在標準范圍內。
[0061] 當兩腳各自的F2、F3、F4、F5通過第二單片機計算出來之后，再通過PL2303轉串 口傳送至PC端，再調用PC端的重力分析軟件，最后判斷人體是否跌倒。
[0062] 以上實例提供了一種跌倒檢測的方式，當然，也可以通過本方案的硬件電路，采用 其他的跌倒檢測方法，實現(xiàn)較為高精度的跌倒檢測。
【權利要求】
1. 一種基于RFID的跌倒檢測裝置，其特征在于：包括壓力傳感器有源電子標簽和閱讀 器模塊，所述壓力傳感器有源電子標簽用以檢測使用者腳踩力的壓力傳感器模塊，所述壓 力傳感器模塊與模數(shù)轉換模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊與第一單片機連接，所述第一單片 機與第一無線射頻模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊、第一單片機、第一無線射頻模塊均與第一 電源連接，所述第一無線射頻模塊與第一天線連接； 所述閱讀器模塊包括第二無線射頻模塊、第二單片機和第二天線，所述第二天線與第 二無線射頻模塊連接，所述第二無線射頻模塊與所述第二單片機連。
2. 如權利要求1所述的基于RFID的跌倒檢測裝置，其特征在于：所述閱讀器模塊與 USB轉串口模塊連接，所述USB轉串口模塊與PC端連接。
3. 如權利要求1或2所述的基于RFID的跌倒檢測裝置，其特征在于：所述壓力傳感器 模塊安置在使用者所穿的鞋子的鞋墊內，在鞋底安置模數(shù)轉換模塊、第一單片機、第一電源 模塊和第一無線射頻收發(fā)模塊。
4. 如權利要求1或2所述的基于RFID的跌倒檢測裝置，其特征在于：所述壓力傳感器 模塊包括用于檢測第3?4跖骨的腳踩力的跖骨傳感單元，用于檢測足跟的腳踩力的足跟 傳感單元。
【文檔編號】G06K7/00GK203870764SQ201420183076
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年4月15日
【發(fā)明者】馮藝瀟, 洪榛, 李橙橙, 劉杰, 陳陪杰, 王瑞, 谷銀銀, 李喜樂, 宋婷婷 申請人:浙江理工大學