本發(fā)明涉及一種能自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈，尤其是涉及一種基于fpga的視頻摔倒檢測(cè)技術(shù)。

背景技術(shù)：

獨(dú)居老人在日常生活中極易發(fā)生各種危險(xiǎn),如摔倒、燒傷、燙傷等，其中摔倒發(fā)生率是最高的。當(dāng)發(fā)生摔倒時(shí)，獨(dú)居老人往往因無法得到及時(shí)救助而造成重大傷害。因此建立一套智能的家庭摔倒檢測(cè)系統(tǒng)是非常有必要的，能夠?qū)Κ?dú)居老人的行為進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并自動(dòng)檢測(cè)出摔倒等異常行為，從而采取相應(yīng)措施使獨(dú)居老人及時(shí)得到救助。

目前的摔倒檢測(cè)主要是采用基于視頻監(jiān)控技術(shù)的pc機(jī)進(jìn)行圖像識(shí)別，設(shè)備安裝復(fù)雜，且需要長(zhǎng)時(shí)間24小時(shí)不停機(jī)工作，容易產(chǎn)生系統(tǒng)不穩(wěn)定、死機(jī)等現(xiàn)象，從而影響摔倒實(shí)時(shí)檢測(cè)。隨著大規(guī)?？删幊唐骷母咚侔l(fā)展，fpga的規(guī)模越來越大，成本也越來越低。fpga具有強(qiáng)大的并行處理能力，能夠采用流水線設(shè)計(jì)方式，可以大大提高系統(tǒng)處理速率，對(duì)于大容量圖像處理，更能體現(xiàn)出快速數(shù)據(jù)處理的能力。相比于pc機(jī)，基于fpga的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)擁有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行速度高，靈活性強(qiáng)，體積小，功耗低，且其內(nèi)部的邏輯功能實(shí)際上都是采用硬件電路來完成的，所以產(chǎn)生的延遲也是來自門電路的納秒級(jí)延遲，采用硬件芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的pc機(jī)軟件處理圖像，是圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明意在提供一種能自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈，以解決獨(dú)居老人在房間內(nèi)摔倒后無法及時(shí)站起就醫(yī)，錯(cuò)過救治時(shí)機(jī)而導(dǎo)致人員傷亡的問題。一種能自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈包括led燈模塊、智能摔倒檢測(cè)模塊和電源模塊。

led燈模塊作為日常生活所用的照明燈，本發(fā)明中的智能摔倒檢測(cè)模塊內(nèi)嵌于led燈模塊內(nèi)部，主要包括：cmos攝像頭電路單元、fpga控制電路單元、蜂鳴器報(bào)警電路單元和gsm通信電路單元。

cmos攝像頭電路單元對(duì)獨(dú)居老人日常生活進(jìn)行視頻圖像的采集，并將視頻圖像傳輸至fpga控制電路單元。fpga控制電路單元對(duì)從cmos攝像頭電路單元接收到的視頻圖像進(jìn)行圖像處理，通過混合高斯背景建模和背景減除法提取出前景，結(jié)合人體高寬比和有效面積比兩個(gè)條件進(jìn)行摔倒判定，若檢測(cè)結(jié)果為摔倒時(shí)，fpga控制電路單元控制led燈模塊進(jìn)行燈光閃爍報(bào)警，同時(shí)控制蜂鳴器報(bào)警電路單元進(jìn)行聲音報(bào)警。通過led燈模塊和蜂鳴器報(bào)警電路單元的聲光報(bào)警能夠定位老人摔倒房間的位置，便于救護(hù)人員展開及時(shí)搶救。聲光報(bào)警的同時(shí)，fpga控制電路單元控制gsm通信電路單元將摔倒報(bào)警信息發(fā)送給獨(dú)居老人的親屬和社區(qū)服務(wù)站，摔倒報(bào)警信息可以幫助親屬和社區(qū)及時(shí)的通知救援人員，使其能夠快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)摔倒老人展開救助。

電源模塊分為第一電源電路單元和第二電源電路單元，第一電源電路單元為fpga控制電路單元提供穩(wěn)定的5v電壓，同時(shí)第二電源電路單元為led燈模塊提供穩(wěn)定的3.3v電壓。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提出的一種能自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈，若老人發(fā)生摔倒事件，fpga控制電路單元控制led燈模塊和蜂鳴器報(bào)警電路單元進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)控制gsm通信電路單元將摔倒報(bào)警信息及時(shí)發(fā)送給社區(qū)服務(wù)站和老人親屬，使老人在摔倒發(fā)生后得到及時(shí)救助，避免了嚴(yán)重后果的發(fā)生。

本發(fā)明提出的一種自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈是基于fpga硬件平臺(tái)開發(fā)的，智能燈一方面可以在日常生活中作為照明燈使用，另一方面就是結(jié)合fpga檢測(cè)老人摔倒并通過燈光閃爍實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。照明燈作為現(xiàn)代日常生活中不可或缺的電器，實(shí)用性強(qiáng)，在未給家庭生活增加額外設(shè)備的同時(shí)附之自動(dòng)摔倒檢測(cè)功能，在智能家居中占據(jù)了有利的位置。本發(fā)明彌補(bǔ)了傳統(tǒng)pc機(jī)視頻摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性差的不足，誤報(bào)率低，且設(shè)備體積小、安裝便捷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明涉及的一種能自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈的整體框圖；

圖2為本發(fā)明涉及的fpga芯片內(nèi)部邏輯功能圖；

圖3為本發(fā)明涉及的摔倒檢測(cè)算法流程圖；

圖4為本發(fā)明涉及的cmos攝像頭電路單元與fpga連接電路圖；

圖5為本發(fā)明涉及的led燈模塊與第一電源電路單元及fpga連接電路圖；

圖6為本發(fā)明涉及的蜂鳴器報(bào)警電路單元與fpga連接電路圖；

圖7為本發(fā)明涉及的gsm通信電路單元與fpga連接電路圖；

圖8為本發(fā)明涉及的第二電源電路單元的電路圖。

具體實(shí)施方式

在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見，在說明書中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。

在此，還需要說明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的模塊和/或電路，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本發(fā)明提供了一種能自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈，結(jié)合圖1所示，自動(dòng)檢測(cè)獨(dú)居老人摔倒的智能燈由led燈模塊1、智能摔倒檢測(cè)模塊2和電源模塊3組成。

1.led燈模塊

led燈模塊1即為家用led照明燈，led燈模塊1用于日常照明，且在智能摔倒檢測(cè)模塊2檢測(cè)出摔倒后進(jìn)行閃爍報(bào)警；

2.智能摔倒檢測(cè)模塊

智能摔倒檢測(cè)模塊2包括cmos攝像頭電路單元21、fpga控制電路單元22、蜂鳴器報(bào)警電路單元23和gsm通信電路單元24，智能摔倒檢測(cè)模塊2用于對(duì)獨(dú)居老人進(jìn)行摔倒檢測(cè)；

cmos攝像頭電路單元21對(duì)獨(dú)居老人的日常生活進(jìn)行視頻圖像的采集，并將視頻圖像傳輸至fpga控制電路單元22。fpga控制電路單元22對(duì)從cmos攝像頭電路單元21接收到的視頻圖像進(jìn)行圖像處理和摔倒判定，若檢測(cè)結(jié)果為摔倒時(shí)，fpga控制電路單元22控制led燈模塊1和蜂鳴器報(bào)警電路單元23進(jìn)行聲光報(bào)警，能夠定位老人摔倒房間位置，便于救護(hù)人員的及時(shí)搶救。同時(shí)fpga控制電路單元22控制gsm通信電路單元24發(fā)送摔倒報(bào)警信息給獨(dú)居老人的親屬和社區(qū)服務(wù)站，便于展開及時(shí)的救助，gsm通信電路單元24和fpga控制電路單元22連接并由fpga控制電路單元驅(qū)動(dòng)工作。

fpga控制電路單元采用ep4ce15f17c8n芯片為核心處理器件，下面從兩個(gè)方面來詳細(xì)描述fpga控制電路單元22。

2.1fpga芯片部分

fpga為可重復(fù)編程邏輯器件，通過軟件語言的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件功能，且fpga具有強(qiáng)大的并行處理能力，能夠采用流水線設(shè)計(jì)方式，可以大大提高系統(tǒng)處理速率，對(duì)于大容量圖像處理，更能體現(xiàn)出快速數(shù)據(jù)處理的能力。本發(fā)明是基于fpga實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)摔倒檢測(cè)系統(tǒng)，相比于pc機(jī)，擁有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行速度快，靈活性強(qiáng)，體積小，功耗低。

本發(fā)明通過veriloghdl硬件描述語言開發(fā)設(shè)計(jì)的fpga內(nèi)部邏輯如圖2所示。fpga芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有read接口電路、clk時(shí)鐘電路、圖像處理電路、摔倒判定電路、uart控制器電路、報(bào)警控制器電路、sdram控制器電路和sram控制器電路。read接口電路、clk時(shí)鐘電路、圖像處理電路、功能判定電路、uart控制電路、報(bào)警控制器電路、sdram控制器電路和sram控制器電路均連接至fpga內(nèi)部總線，其中，uart控制器電路連接gprs模塊，報(bào)警控制器電路連接led燈和蜂鳴器，sdram控制器電路連接sdram存儲(chǔ)芯片，sram控制器電路連接sram存儲(chǔ)芯片。

cmos攝像頭電路單元21將采集到的視頻圖像通過read接口電路傳輸至fpga內(nèi)部總線，并經(jīng)sdram控制器電路存儲(chǔ)到sdram存儲(chǔ)芯片內(nèi)；圖像處理電路通過總線讀取sdram存儲(chǔ)芯片內(nèi)的視頻圖像進(jìn)行圖像處理及背景建模，并將處理好的背景模型存儲(chǔ)到sdram存儲(chǔ)芯片內(nèi)；摔倒判定電路通過總線讀取sdram存儲(chǔ)芯片內(nèi)的視頻圖像和背景模型進(jìn)行摔倒判定，當(dāng)判定結(jié)果為摔倒時(shí)fpga芯片控制啟動(dòng)uart控制電路和報(bào)警控制器電路，其中用于圖像處理與摔倒判定所需的指令與算法通過sram控制器電路存儲(chǔ)到sram存儲(chǔ)芯片內(nèi)。

2.2自動(dòng)檢測(cè)摔倒算法部分

智能摔倒檢測(cè)模塊2是通過fpga芯片進(jìn)行視頻圖像的處理，本發(fā)明涉及的自動(dòng)檢測(cè)摔倒算法如圖3所示，具體步驟如下:

步驟一、混合高斯背景建模過程：

第一、將經(jīng)數(shù)據(jù)總線從sdram存儲(chǔ)模塊中讀取的圖像作為原始圖像數(shù)據(jù)，對(duì)于每一幀圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)，如公式（2-1）所示用k個(gè)高斯模型來表示其特征，并用這k個(gè)高斯分布的加權(quán)和來描述場(chǎng)景，如公式（2-2）；

（2-1）

（2-2）

第二、參數(shù)初始化：

初始化預(yù)先定義的k個(gè)高斯模型，對(duì)每個(gè)高斯模型中的均值、方差和權(quán)值都設(shè)置為0。對(duì)一段幀數(shù)的視頻進(jìn)行訓(xùn)練，通過訓(xùn)練幀所得到模型計(jì)算出均值、方差和權(quán)重等參數(shù)，作為背景模型參數(shù)。

第三、參數(shù)更新：

將當(dāng)前幀的像素點(diǎn)與高斯混合模型中k個(gè)高斯模型進(jìn)行匹配，滿足公式（2-3）時(shí)為背景，按照公式（2-4）、（2-5）、（2-6）進(jìn)行參數(shù)更新，

（2-3）

（2-4）

（2-5）

（2-6）

步驟二、人體目標(biāo)提取過程：

從sdram中讀取當(dāng)前圖像和背景圖像，用當(dāng)前幀圖像中的像素與背景圖像對(duì)應(yīng)的像素進(jìn)行差分運(yùn)算，

（2-7）

滿足公式（2-7）時(shí)為前景圖像，為前景參考閾值。將檢測(cè)到的前景像素置為白色，背景像素置為黑色，形成二值圖像，即人體目標(biāo)后輸出到摔倒判定模塊。

步驟三、摔倒檢測(cè)過程：

（2-8）

（2-9）

通過標(biāo)定二值圖像中人體目標(biāo)的最小外接矩形框，檢測(cè)出人體目標(biāo)的高度l和寬度w，并計(jì)算出二值圖像中前景即人體目標(biāo)的有效像素個(gè)數(shù)的總和，以及矩形框內(nèi)像素個(gè)數(shù)的總和。當(dāng)人直立行走時(shí)，高度l大于寬度w，如果人體在摔倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，寬度w大于高度h，設(shè)定人體高寬比閾值為1.2，當(dāng)滿足公式（2-8）時(shí)認(rèn)為人體為摔倒?fàn)顟B(tài)；當(dāng)人進(jìn)行體育鍛煉比如彎腰伸胳膊時(shí)雖然符合公式（2-8）但并不是真正的摔倒，此時(shí)人體實(shí)際占有的面積比較小，設(shè)定有效面積比閾值為0.45，通過公式（2-9）的修正，判定人體為真正的摔倒?fàn)顟B(tài)，即當(dāng)兩個(gè)公式同時(shí)滿足時(shí)判定人體摔倒，任一條件不滿足則循環(huán)進(jìn)行下一幀圖像的摔倒檢測(cè)。

3.電源模塊

電源模塊包含第一電源電路單元31及第二電源電路單元32，第一電源電路單元31為智能摔倒檢測(cè)模塊2提供穩(wěn)定的5v電壓，第二電源電路單元32為led燈模塊1提供穩(wěn)定的3.3v電壓。

優(yōu)選實(shí)施例

下面結(jié)合圖4對(duì)cmos攝像頭電路單元21和fpga控制電路單元22連接的一種實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步說明，

如圖4所示為cmos攝像頭電路單元21與fpga控制電路單元22的fpga芯片的連接電路圖，cmos攝像頭電路單元21包括camera芯片，camera芯片選用ov7725cmos型號(hào)，fpga控制電路單元22包括fpga芯片，fpga芯片選用ep4ce15f17c8n芯片。fpga芯片的cmos_sdat、cmos_href和cmos_xclk引腳分別與camera芯片的4、6和8引腳連接，fpga芯片的cmos_sclk、cmos_vsync和cmos_pclk引腳分別與camera芯片3、5和7引腳連接，實(shí)現(xiàn)fpga芯片對(duì)camera芯片的初始化和視頻圖像的時(shí)鐘同步；fpga芯片的cmos_data7、cmos_data5、cmos_data3和cmos_data1引腳分別通過數(shù)據(jù)總線與camera芯片9、11、13和15引腳連接，fpga芯片的cmos_data6、cmos_data4、cmos_data2和cmos_data0引腳分別與camera芯片10、12、14和16引腳連接，實(shí)現(xiàn)fpga芯片和camera芯片之間視頻圖像的數(shù)據(jù)傳輸。

下面結(jié)合圖5對(duì)led燈模塊1和第二電源電路單元32及fpga控制電路單元22連接的一種實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步說明，

如圖5所示為led燈模塊1與第二電源電路單元32及fpga控制電路單元22的fpga芯片的連接電路圖，其中第二電源電路單元32使用220v電源供電，220v交流電經(jīng)降壓電容c1降壓后經(jīng)全橋整流，再經(jīng)過濾波電容c2濾波后，經(jīng)限流電阻r3給串聯(lián)的led燈模塊提供恒流電源。

fpga芯片控制led燈模塊報(bào)警的電路連接方式如下，

fpga芯片控制其i/o引腳1輸出高低電平，當(dāng)i/o引腳1輸出高電平時(shí)，三極管q2不導(dǎo)通，銜鐵1與2吸合，led燈模塊電路導(dǎo)通；當(dāng)i/o引腳1輸出低電平時(shí)，三極管q2導(dǎo)通，繼電器中線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，使銜鐵1與3吸合，led燈模塊電路斷開。通過fpga芯片控制其i/o引腳1高低電平的輸出實(shí)現(xiàn)led燈模塊的燈光閃爍報(bào)警。

下面結(jié)合圖6對(duì)蜂鳴器報(bào)警電路單元23和fpga控制電路單元24連接的一種實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步說明，

如圖6所示為蜂鳴器報(bào)警電路單元23與fpga控制電路單元22的fpga芯片連接電路圖，fpga芯片控制其i/o引腳2輸出低電平，三極管q1導(dǎo)通，電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音。蜂鳴器報(bào)警電路單元通過fpga芯片控制其i/o引腳2低電平的輸出實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警電路單元的聲音報(bào)警，能夠幫助救援人員快速準(zhǔn)確的找到老人摔倒所在位置，節(jié)省了救援時(shí)間，避免了嚴(yán)重后果的發(fā)生。

下面結(jié)合圖7對(duì)gsm通信電路單元24和fpga控制電路單元22連接的一種實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步說明，

如圖7所示為gsm通信電路單元22與fpga控制電路單元22的fpga芯片連接電路圖，gsm通信電路單元22選用sim900a芯片，fpga芯片的txd，rxd，gnd分別和sim900a芯片的rxd，txd，gnd相連，當(dāng)fpga控制電路單元22檢測(cè)結(jié)果為摔倒時(shí)，fpga控制電路單元22驅(qū)動(dòng)gsm通信電路單元24進(jìn)行通信報(bào)警。gsm通信電路單元24包括記載該老人相關(guān)信息的gsm通信終端，gsm通信終端將摔倒報(bào)警信息分別發(fā)送給老人居住的社區(qū)服務(wù)站和老人親屬，gsm通信終端發(fā)出的摔倒信息包含了老人的住址、血型和病史等基本情況，便于救援人員能夠快速的準(zhǔn)備相關(guān)的藥物和治療方案。

下面結(jié)合圖8對(duì)第一電源電路單元31的一種實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步說明，

如圖8所示為第一電源電路單元31電路圖，lm7805為穩(wěn)壓集成電路，為fpga控制電路單元22提供穩(wěn)定的+5v電壓，220v交流電經(jīng)變壓器tf1變壓為9v后經(jīng)全橋整流，再經(jīng)過濾波電容c1濾波后輸入至lm7805穩(wěn)壓集成電路的vin引腳，+5v引腳輸出直流+5v電壓經(jīng)濾波電容c2濾波后為fpga芯片提供+5v電壓。

盡管根據(jù)上述實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對(duì)于本發(fā)明的范圍，對(duì)本發(fā)明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。