專利名稱：基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法及裝置，具體的涉及一種可長時(shí)間、持續(xù)地探測人體是否發(fā)生跌倒過程的裝置和方法，主要適用于對老年人的跌倒監(jiān)測。
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)理問題逐漸成為一個重大問題，多數(shù)老年人的健康狀況無法得到及時(shí)監(jiān)測。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。
老人的跌倒會引發(fā)很多安全問題，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。
現(xiàn)有的跌倒檢測技術(shù)可分為三類基于視頻的跌倒檢測系統(tǒng)，基于聲學(xué)的跌倒檢測系統(tǒng)，基于穿戴式傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)。
基于視頻的跌倒檢測系統(tǒng)是在一定區(qū)域內(nèi)安裝攝像頭，拍攝人體活動的畫面。通過圖像處理的方法，檢測是否有跌倒發(fā)生；
基于聲學(xué)的跌倒檢測系統(tǒng)是通過分析跌倒時(shí)的音頻信號來檢測；
基于穿戴式傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)，指將含有跌倒信號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設(shè)備，如衣服、帽子、首飾等，以通過監(jiān)測人體活動狀況檢測是否發(fā)生跌倒。
基于視頻的跌倒檢測系統(tǒng)受到區(qū)域限制；基于聲學(xué)的跌倒檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確率相對有待提高?，F(xiàn)有基于穿戴式傳感器的跌倒檢測方式是一種最便捷、最普及的檢測方式，其檢測原理簡單、方法研究較多且具實(shí)用性?；诖┐魇絺鞲衅鞯臋z測系統(tǒng)已有較多實(shí)例，例如CN2168586Y等。CN2249072Y是主要基于水銀開關(guān)進(jìn)行跌倒的檢測；CN201127606Y等是僅利用加速度信息進(jìn)行跌倒檢測的方式；CN102136180A方案過于復(fù)雜，除了兩個加速度計(jì)外，還需要兩個陀螺儀，并且需要分組佩戴在兩個部位，使用不便且提高了成本?，F(xiàn)存的穿戴式跌倒檢測方法的主要不足是系統(tǒng)的功耗相對而言普遍較大，難以長期持續(xù)檢監(jiān)測，在跌倒檢測技術(shù)上主要基于加速度和角度變化信息，沒有利用人體跌倒中必然發(fā)生的高度變化信息，因而檢測的準(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。
現(xiàn)階段人體跌倒監(jiān)測技術(shù)尤其是針對老年人跌倒的檢測技術(shù)存在的這些主要問題，也即識別準(zhǔn)確性不高、因電池容量有限等原因使相關(guān)裝置無法進(jìn)行長時(shí)間持續(xù)有效監(jiān)測問題，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)測方法及裝置。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法及裝置，該基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法及裝置監(jiān)測準(zhǔn)確度高。
發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法，由被監(jiān)測的人體佩戴加速度計(jì)、高度計(jì)和單片機(jī)，單片機(jī)分別通過加速度計(jì)和高度計(jì)檢測人體的加速度變化和高度變化信息，當(dāng)檢測到加速度值超過加速度閾值且高度變化值超過高度變化閾值時(shí)，則判斷佩戴者發(fā)生了跌倒，并通過通信模塊發(fā)出報(bào)警。
還通過佩戴方式的檢測進(jìn)一步增強(qiáng)檢測準(zhǔn)確性；佩戴方式的檢測通過以下方法實(shí)現(xiàn)
在一個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)通常開型的干簧管在有磁場作用時(shí)導(dǎo)通，否則，當(dāng)所述的監(jiān)測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，單片機(jī)檢測與干簧管串聯(lián)的下拉電阻處的電平高低即可判斷所述的監(jiān)測模塊是否為定點(diǎn)佩戴方式。
為了能夠及時(shí)探測人體運(yùn)動異常信息并節(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)動的低功耗工作模式，以持續(xù)監(jiān)測加速度變化；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)動強(qiáng)度超過設(shè)定值時(shí)輸出信號觸發(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)在超閾值期間測得的三個空間坐標(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。
一種基于前述的人體跌倒監(jiān)測方法的人體跌倒監(jiān)測裝置，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)測模塊中，所述的高度計(jì)和加速度計(jì)均通過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)測模塊的帶有磁鐵的佩戴扣和集成于所述監(jiān)測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)的一個輸入端口。這使得裝置的佩戴方式檢測可以僅在單片機(jī)需要確認(rèn)佩戴方式時(shí)才供電檢測，以節(jié)省電能。
所述的加速度計(jì)采用具有運(yùn)動觸發(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. O通信標(biāo)準(zhǔn)的無線通信模塊WB2540.所選加速度計(jì)、 高度計(jì)和單片機(jī)均為微安級低功耗器件，使系統(tǒng)能以低功耗實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測。
為所述檢測模塊供電的電源模塊包括一個充電管理接口(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)的第二模擬開關(guān)。
基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測裝置，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?；顒訒r(shí)的加速度及高度變化信息數(shù)據(jù)，并檢測裝置的佩戴方式；采用藍(lán)牙無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。處理控制模塊對傳感模塊測得的加速度和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過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。可置于佩戴者褲頭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)動觸發(fā)喚醒模式下。當(dāng)加速度信號超過設(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， 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)信號喚醒后，由單片機(jī)I/O 口為氣壓高度計(jì)供電， 啟動高度計(jì)采集高度變化信息。在檢查佩戴方式的佩戴檢測模塊中，磁敏器件的供電由單片機(jī)通過模擬開關(guān)I控制，在需要了解佩戴方式信息時(shí)才對磁敏器件供電，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μ A級集成器件，所述檢測佩戴方式的磁敏器件為開關(guān)類的干簧管，使其功耗為μ W級， 且該器件斷開時(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)通過對不同時(shí)段傳感模塊采集數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理， 根據(jù)對人體運(yùn)動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)，通過模擬開關(guān)II 啟動電源調(diào)整器II為藍(lán)牙通信模塊供電，令其發(fā)出報(bào)警信息。其中對加速度信號的處理包括人體運(yùn)動加速度合成矢量(合矢) 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、后兩個狀態(tài)之間的夬角支化分析。對高度信號的處理包括確認(rèn)高度變化范圍與變化率是否超過人體正常躺下或坐下時(shí)的變化閾值(具體參數(shù)見后面)。
人體活動的加速度合矢 及其模| |分別按下面二式計(jì)算
SVM = 7x + 7y+7z
SVM = ^Ja2r + 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)動方向不直接對應(yīng)，通過單片機(jī)進(jìn)行處理可確定隨意位置下裝置的具體朝向。可針對具有不同運(yùn)動強(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)W W超過設(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。
對定位和隨意佩戴模式下的正常| |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)測方法，其特征在干，由被監(jiān)測的人體佩戴加速度計(jì)、高度計(jì)和單片機(jī)，單片機(jī)分別通過加速度計(jì)和高度計(jì)檢測人體的加速度變化和高度變化信息，當(dāng)檢測到加速度值超過加速度閾值且高度變化值超過高度變化閾值時(shí)，則判斷佩戴者發(fā)生了跌倒，并通過通信模塊發(fā)出報(bào)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法，其特征在干，還通過佩戴方式的檢測進(jìn)一歩增強(qiáng)檢測準(zhǔn)確性；佩戴方式的檢測通過以下方法實(shí)現(xiàn)在一個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)測模塊插裝在佩戴扣上時(shí)，干簧管受所述磁鐵的磁作用而導(dǎo)通，否則，當(dāng)所述的監(jiān)測模塊未插裝在佩戴扣上時(shí)，干簧管的狀態(tài)為斷開，單片機(jī)檢測與干簧管串聯(lián)的下拉電阻處的電平高低即可判斷所述的監(jiān)測模塊是否為定點(diǎn)佩戴方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法，其特征在干，為了能夠及時(shí)探測人體運(yùn)動異常信息并節(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)動的低功耗エ作模式，以持續(xù)監(jiān)測加速度變化；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)動強(qiáng)度超過設(shè)定值時(shí)輸出信號觸發(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)的輸出端ロ給高度計(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)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法，其特征在干，所述的加速度計(jì)為三軸加速度計(jì)，當(dāng)檢測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)在超閾值期間測得的三個空間坐標(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)ー步確認(rèn)裝置佩戴者發(fā)生了跌倒。
5.ー種基于權(quán)利要求I所述的人體跌倒監(jiān)測方法的人體跌倒監(jiān)測裝置，其特征在干，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)測模塊中，所述的高度計(jì)和加速度計(jì)均通過SPI通信ロ與單片機(jī)連接，通信模塊與單片機(jī)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的人體跌倒監(jiān)測裝置，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)測模塊的帶有磁鐵的佩戴扣和集成于所述監(jiān)測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)的一個輸入端ロ。
7.根據(jù)權(quán)利要求5-6任一項(xiàng)所述的人體跌倒監(jiān)測裝置，其特征在干，所述的加速度計(jì)采用具有運(yùn)動觸發(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.O通信標(biāo)準(zhǔn)的無線通信模塊WB2540。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的人體跌倒監(jiān)測裝置，其特征在干，為所述檢測模塊供電的電源模塊包括一個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)的第二模擬開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于加速度和高度信息的人體跌倒監(jiān)測方法及裝置，所述的裝置由傳感、處理控制、通信、佩戴檢測及電源模塊組成。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)測佩戴者日?；顒拥募铀俣纫约皺z測高度變化，佩戴檢測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。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是以持續(xù)監(jiān)測的加速度信息結(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)到長期持續(xù)工作要求。
文檔編號G08B21/04GK102982653SQ201210441008
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者劉少強(qiáng), 陳瑾, 樊曉平, 陶清華, 王琪, 陳翔 申請人:中南大學(xué)