基于单片机的老人跌倒检测装置设计.doc

基于单片机的老人跌倒检测装置设计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。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。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。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。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。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。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。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。GPS定位模块选用UBLOX公司的NEO6M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HM13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特征值预处理运动过程中加速度传感器测出的X轴、Y轴和Z轴的加速度分别为a2x、a2y和a2z。合成加速度为三轴加速度的平方和再开方。合成加速度的大小可以表征人体运动的激烈程度。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。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。互补滤波器的原理框图如图3所示。