專利名稱：基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，具體的涉及一種可長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)地探測(cè)人體是否發(fā)生跌倒過(guò)程的裝置，主要適用于對(duì)老年人的跌倒監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)，人口老齡化將愈為顯露。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和文化的交流，人口的流動(dòng)性大大加速，使得很多子女不在老人身邊。因而老年人的健康及其醫(yī)療護(hù)理問(wèn)題逐漸成為一個(gè)重大問(wèn)題，多數(shù)老年人的健康狀況無(wú)法得到及時(shí)監(jiān)測(cè)。在發(fā)生意外時(shí)，如果老年人得不到即時(shí)的救助，甚至?xí){到生命安全。而跌倒是在老年人群中常有發(fā)生的。老人的跌倒會(huì)引發(fā)很多安全問(wèn)題，5% 15%的跌倒造成腦部損傷、軟組織損傷、骨折和脫白等，其中最嚴(yán)重的是髖部骨折?，F(xiàn)有的跌倒檢測(cè)技術(shù)可分為三類:基于視頻的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，基于聲學(xué)的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，基于穿戴式傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)?；谝曨l的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)是在一定區(qū)域內(nèi)安裝攝像頭，拍攝人體活動(dòng)的畫(huà)面。通過(guò)圖像處理的方法，檢測(cè)是否有跌倒發(fā)生；基于聲學(xué)的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)分析跌倒時(shí)的音頻信號(hào)來(lái)檢測(cè)；基于穿戴式傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，指將含有跌倒信號(hào)感知功能的微型裝置安裝在適于人體穿戴的衣物中的檢測(cè)設(shè)備，如衣服、帽子、首飾等，以通過(guò)監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)狀況檢測(cè)是否發(fā)生跌倒?；谝曨l的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)受到區(qū)域限制；基于聲學(xué)的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確率相對(duì)有待提高?，F(xiàn)有基于穿戴式傳感器的跌倒檢測(cè)方式是一種最便捷、最普及的檢測(cè)方式，其檢測(cè)原理簡(jiǎn)單、方法研究較多且具實(shí)用性?；诖┐魇絺鞲衅鞯臋z測(cè)系統(tǒng)已有較多實(shí)例，例如CN2168586Y等。CN2249072Y是主要基于水銀開(kāi)關(guān)進(jìn)行跌倒的檢測(cè)；CN201127606Y等是僅利用加速度信息進(jìn)行跌倒檢測(cè)的方式；CN102136180A方案過(guò)于復(fù)雜，除了兩個(gè)加速度計(jì)夕卜，還需要兩個(gè)陀螺儀，并且需要分組佩戴在兩個(gè)部位，使用不便且提高了成本?，F(xiàn)存的穿戴式跌倒檢測(cè)方法的主要不足是系統(tǒng)的功耗相對(duì)而言普遍較大，難以長(zhǎng)期持續(xù)檢監(jiān)測(cè)，在跌倒檢測(cè)技術(shù)上主要基于加速度和角度變化信息，沒(méi)有利用人體跌倒中必然發(fā)生的高度變化信息，因而檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性以及裝置使用的便利性等方面都有待提高?，F(xiàn)階段人體跌倒監(jiān)測(cè)技術(shù)尤其是針對(duì)老年人跌倒的檢測(cè)技術(shù)存在的這些主要問(wèn)題，也即識(shí)別準(zhǔn)確性不高、因電池容量有限等原因使相關(guān)裝置無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)有效監(jiān)測(cè)問(wèn)題，大大降低了這類裝置的實(shí)用性。因此，有必要設(shè)計(jì)一種新的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，該基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置具有監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下:[0012]一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，包括集成有高度計(jì)、加速度計(jì)、通信模塊和單片機(jī)的監(jiān)測(cè)模塊中，所述的高度計(jì)和加速度計(jì)均通過(guò)SPI通信口與單片機(jī)連接，通信模塊與單片機(jī)連接。所述的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置還包括佩戴方式檢查模塊；佩戴方式檢查模塊包括用于插裝所述監(jiān)測(cè)模塊的帶有磁鐵的佩戴扣和集成于所述監(jiān)測(cè)模塊的干簧管和下拉電阻；所述的干簧管和下拉電阻串聯(lián)在輸入端與電源正極連接的第一模擬開(kāi)關(guān)的輸出端和地之間，使干簧管與下拉電阻串聯(lián)的支路的供電由受控于單片機(jī)的第一模擬開(kāi)關(guān)控制，干簧管與下拉電阻的連接點(diǎn)接單片機(jī)的一個(gè)輸入端口。這使得裝置的佩戴方式檢測(cè)可以僅在單片機(jī)需要確認(rèn)佩戴方式時(shí)才供電檢測(cè)，以節(jié)省電能。所述的加速度計(jì)采用具有運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒功能的集成三軸加速度計(jì)ADXL362，所述高度計(jì)為集成高精度氣壓高度計(jì)MS5611，干簧管為CT05系列干簧管，單片機(jī)為MSP430F5510，通信模塊為支持藍(lán)牙4.0通信標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信模塊WB2540.所選加速度計(jì)、高度計(jì)和單片機(jī)均為微安級(jí)低功耗器件，使系統(tǒng)能以低功耗實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測(cè)。為所述檢測(cè)模塊供電的電源模塊包括一個(gè)充電管理接口(MAX1551)和兩路電源，其中，第一路電源為通信模塊供電，第二路電源為單片機(jī)、佩戴方式檢查模塊和加速度計(jì)供電(高度計(jì)由單片機(jī)的輸入輸出端口供電)，第一路電源的通路中串接有受控于單片機(jī)的第二模擬開(kāi)關(guān)。該基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置對(duì)應(yīng)的方法:由被監(jiān)測(cè)的人體佩戴加速度計(jì)、高度計(jì)和單片機(jī)，單片機(jī)分別通過(guò)加速度計(jì)和高度計(jì)檢測(cè)人體的加速度變化和高度變化信息，當(dāng)檢測(cè)到加速度值超過(guò)加速度閾值且高度變化值超過(guò)高度變化閾值時(shí)，則判斷佩戴者發(fā)生了跌倒，并通過(guò)通信模塊發(fā)出報(bào)警。還通過(guò)佩戴方式的檢測(cè)進(jìn)一步增強(qiáng)檢測(cè)準(zhǔn)確性；佩戴方式的檢測(cè)通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn): 在一個(gè)佩戴扣上固定有一塊磁鐵，集成有高度計(jì)、加速度計(jì)、干簧管和單片機(jī)的監(jiān)測(cè)模塊插裝在佩戴扣上時(shí)(此時(shí)為定點(diǎn)佩戴方式)，干簧管受所述磁鐵的磁作用而導(dǎo)通常開(kāi)型的干簧管在有磁場(chǎng)作用時(shí)導(dǎo)通，否則，當(dāng)所述的監(jiān)測(cè)模塊未插裝在佩戴扣上時(shí)(這種情況為隨意佩戴方式)，干簧管的狀態(tài)為斷開(kāi)，單片機(jī)檢測(cè)與干簧管串聯(lián)的下拉電阻處的電平高低即可判斷所述的監(jiān)測(cè)模塊是否為定點(diǎn)佩戴方式。為了能夠及時(shí)探測(cè)人體運(yùn)動(dòng)異常信息并節(jié)省電能，所述的加速度計(jì)采用具有運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒功能的集成三軸加速度計(jì)ADXL362，并且該加速度計(jì)在常態(tài)下處于可感知運(yùn)動(dòng)的低功耗工作模式，以持續(xù)監(jiān)測(cè)加速度變化；單片機(jī)設(shè)置在喚醒工作模式:即當(dāng)加速度計(jì)感知到運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定值時(shí)輸出信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)才進(jìn)入工作狀態(tài)，否則處于休眠狀態(tài)；高度計(jì)在常態(tài)下處于斷電模式，在單片機(jī)被喚醒后，由單片機(jī)的輸出端口給高度計(jì)供電，使高度計(jì)進(jìn)入工作模式，與加速度計(jì)配合，同時(shí)采集加速度和高度變化數(shù)據(jù)。所述的加速度計(jì)為三軸加速度計(jì)，當(dāng)檢測(cè)到加速度合矢和高度幅值變化都超閾值的情況時(shí)，為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，還基于重力加速度大小和方向的不變性，由三軸加速度計(jì)在超閾值期間測(cè)得的三個(gè)空間坐標(biāo)軸方向(X，Y，Z)的分量先作低通濾波，再求合矢得到在隨人體轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度計(jì)三坐標(biāo)系中重力加速度矢量與人體運(yùn)動(dòng)加速度合矢的夾角；當(dāng)該夾角的變化程度超閾值時(shí)進(jìn)一步確認(rèn)裝置佩戴者發(fā)生了跌倒。[0021]基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于包括傳感模塊，處理控制模塊，通信模塊，電源模塊和佩戴檢測(cè)模塊?；诘凸膯纹瑱C(jī)的處理控制模塊與由低功耗器件組成的傳感模塊連接，采集人體日?；顒?dòng)時(shí)的加速度及高度變化信息數(shù)據(jù)，并檢測(cè)裝置的佩戴方式；采用藍(lán)牙無(wú)線方式的通信模塊與處理控制模塊連接，當(dāng)根據(jù)所采集數(shù)據(jù)判斷出裝置佩戴者發(fā)生跌倒時(shí)，處理控制模塊啟用藍(lán)牙通信模塊發(fā)送報(bào)警信息；根據(jù)裝置各部分對(duì)供電的不同需求，電源模塊提供了負(fù)載電流能力不同的二路輸出，并且在單片機(jī)控制下提供對(duì)不同部件的受控供電、直接供電和單片機(jī)I/o 口供電三種方式，實(shí)現(xiàn)高能效電源管理，降低系統(tǒng)功耗、增大其續(xù)航時(shí)間。處理控制模塊對(duì)傳感模塊測(cè)得的加速度和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)按不同佩戴方式的數(shù)據(jù)處理程序判斷出佩戴者是否發(fā)生跌倒，當(dāng)判定跌倒發(fā)生時(shí)控制通信模塊發(fā)送報(bào)警信息。佩戴扣用于檢查裝置的佩戴方式信息，以選擇數(shù)據(jù)采集與處理方式，達(dá)到節(jié)能目的?？芍糜谂宕髡哐濐^或腰帶的佩戴扣含磁體，裝置能自查是否為固定佩戴。傳感模塊主要由一片超低功耗的集成三軸加速度計(jì)和一片低功耗高精度的集成氣壓高度計(jì)組成，由電源模塊直接供電的加速度計(jì)主要工作在節(jié)能的運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下。當(dāng)加速度信號(hào)超過(guò)設(shè)定限度(1.2 1.4g，g為重力加速度)時(shí)，加速度計(jì)輸出中斷信號(hào)，喚醒由電源直接供電但一般情況下處于低功耗休眠模式的單片機(jī)；氣壓高度計(jì)在正常情況下處于不工作狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)被加速度計(jì)信號(hào)喚醒后，由單片機(jī)I/O 口為氣壓高度計(jì)供電，啟動(dòng)高度計(jì)采集高度變化信息。在檢查佩戴方式的佩戴檢測(cè)模塊中，磁敏器件的供電由單片機(jī)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)I控制，在需要了解佩戴方式信息時(shí)才對(duì)磁敏器件供電，由單片機(jī)查詢其輸出狀態(tài)，確定裝置佩戴方式。所述三軸加速度計(jì)和所述氣壓高度計(jì)要求選用工作電流為μΑ級(jí)集成器件，所述檢測(cè)佩戴方式的磁敏器件為開(kāi)關(guān)類的干簧管，使其功耗為yW級(jí)，且該器件斷開(kāi)時(shí)不消耗能量。處理控制模塊基于MSP430系列超低功耗單片機(jī)，它包含有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和SPI等多種接口。依據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供的時(shí)間 ，單片機(jī)通過(guò)對(duì)不同時(shí)段傳感模塊采集數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理，根據(jù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)加速度和高度變化幅度的分析判斷確認(rèn)發(fā)生跌倒事件時(shí)，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)II啟動(dòng)電源調(diào)整器II為藍(lán)牙通信模塊供電，令其發(fā)出報(bào)警信息。其中對(duì)加速度信號(hào)的處理包括人體運(yùn)動(dòng)加速度合成矢量(合矢)1 的計(jì)算 與重力加速度矢量的夾角計(jì)算，以及判定可能發(fā)生跌倒事件之前、后兩個(gè)狀態(tài)之間的夬角變化分析。對(duì)高度信號(hào)的處理包括確認(rèn)高度變化范圍與變化率是否超過(guò)人體正常躺下或坐下時(shí)的變化閾值(具體參數(shù)見(jiàn)后面)。人體活動(dòng)的加速度合矢—及其模|^ |分別按下面二式計(jì)算:SVM = ax +ay + azSVM = ^a2x + a2y + a]其中ax，ay，，az分別表示傳感器三軸x，y，z向的加速度值，在定點(diǎn)配戴于直立人體的腰帶的模式下，z方向?yàn)殂U垂方向，x、y方向?qū)?yīng)于人體的前后和左右方向。隨意位置佩戴時(shí)，加速度計(jì)各軸向與人體運(yùn)動(dòng)方向不直接對(duì)應(yīng)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理可確定隨意位
置下裝置的具體朝向?？舍槍?duì)具有不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的佩戴者設(shè)定和調(diào)節(jié)| |的安全閾值(參數(shù)值后述)，當(dāng)| |超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)一步結(jié)合高度變化信息可正確判斷跌倒發(fā)生與否。[0028]對(duì)定位和隨意佩戴模式下的正常I^l值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理的流程略有不同，但其
中都包括加權(quán)平均和中值濾波處理。在定位定佩戴模式下，重力方向初始是對(duì)應(yīng)Z軸方向；在隨意位置佩戴模式下，基于重力加速度大小和方向的不變性，將根據(jù)低通濾波處理后的數(shù)據(jù)按下式計(jì)算，得到裝置佩戴者在不同活動(dòng)時(shí)刻的加速度合矢與重力方向的夾角Θ。
權(quán)利要求1.一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括集成有高度計(jì)、加速度計(jì)、通信模塊和單片機(jī)的監(jiān)測(cè)模塊，所述的高度計(jì)和加速度計(jì)均通過(guò)SPI通信口與單片機(jī)連接，通信模塊與單片機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，還包括佩戴方式檢查模塊；佩戴方式檢查模塊包括用于插裝所述監(jiān)測(cè)模塊的帶有磁鐵的佩戴扣和集成于所述監(jiān)測(cè)模塊的干簧管和下拉電阻；所述的干簧管和下拉電阻串聯(lián)在輸入端與電源正極連接的第一模擬開(kāi)關(guān)的輸出端和地之間，使干簧管與下拉電阻串聯(lián)的支路的供電由受控于單片機(jī)的第一模擬開(kāi)關(guān)控制，干簧管與下拉電阻的連接點(diǎn)接單片機(jī)的一個(gè)輸入端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述的加速度計(jì)采用具有運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒功能的集成三軸加速度計(jì)ADXL362，所述高度計(jì)為集成高精度氣壓高度計(jì)MS5611，干簧管為CT05系列干簧管，單片機(jī)為MSP430F5510，通信模塊為支持藍(lán)牙4.0通信標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信模塊WB2540。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，為所述監(jiān)測(cè)模塊供電的電源模塊包括一個(gè)充電管理接口和兩路電源，其中，第一路電源為通信模塊供電，第二路電源為單片機(jī)、佩戴方式檢查模塊和加速度計(jì)供電，第一路電源的通路中串接有受控于單片機(jī)的第二模擬開(kāi)關(guān)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測(cè)裝置，所述的裝置由傳感、處理控制、通信、佩戴檢測(cè)及電源模塊組成。含加速度計(jì)、高度計(jì)的傳感模塊與基于低功耗單片機(jī)的處理控制模塊連接，持續(xù)監(jiān)測(cè)佩戴者日?；顒?dòng)的加速度以及檢測(cè)高度變化，佩戴檢測(cè)模塊檢查裝置佩戴方式；根據(jù)采集的加速度與高度數(shù)據(jù)判定佩戴者跌倒時(shí)，處理控制模塊啟動(dòng)藍(lán)牙通信模塊，發(fā)出報(bào)警信息；可置于佩戴者腰帶的佩戴扣含磁體，使裝置能自查是否定位佩戴。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是以持續(xù)監(jiān)測(cè)的加速度信息結(jié)合高度信息準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)跌倒；以低功耗設(shè)計(jì)與高能效管理降低能耗，達(dá)到長(zhǎng)期持續(xù)工作要求。
文檔編號(hào)G08B21/04GK202939773SQ201220583239
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者劉少?gòu)?qiáng), 陶清華, 樊曉平, 陳瑾, 王琪, 陳翔 申請(qǐng)人:中南大學(xué)