基于多传感器的老人跌倒检测系统设计.doc

1、本科生毕业论文（设计）题 目 基于多传感器的老人跌倒检测系统设计 姓 名 学号 院 系 工学院 专 业 自动化 指导教师 职称 20XX 年 5 月 10 日曲阜师范大学教务处制目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11 绪论 21.1 课题背景 21.2 课题研究目的 21.3 国内外关于该课题的研究现状 22 跌倒检测系统的硬件组成及相关技术 32.1 老人跌倒检测系统硬件整体设计32.2 数据采集模块32.2.1 MPU6050 模块32.2.2 MS5611 模块42.3 微处理器模块52.4 定位报警模块62.4.1 GPS 定位技术及 GSM 通信技术简介62.4

2、.2 SIM908 模块63 跌倒检测系统的软件算法设计83.1 跌倒检测实现83.1.1 人体坐标系83.1.2 加速度 SVM 阈值算法83.1.3 加速度数据的采集与分析83.1.4 海拔高度数据的采集与分析93.1.5 跌倒检测算法93.2 GPS 定位功能103.2.1 AT 指令103.2.2 GPS 数据解析113.3 系统整体功能实现114 总结12致谢13参考文献131基于多传感器的老人跌倒检测系统设计摘要：随着我国进入老龄社会，越来越多的多的老人不得不独自生活。一旦发生意外情况，老人如果无法自救，并且在身边没有人帮助的情况下将会非常危险。其中当属跌倒带来的威胁最大。为了减少

3、跌倒后因发现不及时对老人身心所造成的巨大伤害，本文提出了一套应用多个传感器来准确检测老人跌倒并及时报警的系统。本系统选用飞思卡尔公司生产的 MK60DN512ZVLL10 微处理器作为控制核心，检测传感器有 MPU6050 六轴传感器和 MS5611 气压传感器，并通过 SIM908 模块实现定位报警功能。MPU6050 模块用以采集身体加速度信息，MS5611 模块负责获取当前所处海拔高度的数据。在三轴加速度 SMV 阈值算法基础上辅以海拔高度检测，使检测结果更加准确。关键词：跌倒 MPU6050 MS5611 SIM908 SVM 阈值算法Design of Elderly Fall De

4、tection System Based on Multi-sensorAbstract：As our country enters the aging society, more and more old people have to live alone. If an unexpected situation occurs, the old man cannot save himself, and it will be very dangerous if there is no help around him. Among them the threat of falls is the g

5、reatest. In order to reduce the damage to the elderly and the physical and mental injury caused by the loss of time, this paper proposes a set of sensors to accurately detect the old people fall and timely alarm system. The system selects the MK60DN512ZVLL10 microprocessor produced by the Freescale

6、Company as the control center; the detecting sensor has MPU6050 six axes sensors and MS5611 pneumatic sensors, and realizes the positioning alarm function through the SIM908 module. The MPU6050 module is used to gather the body acceleration information, and the MS5611 module is responsible for obtai

7、ning the current altitude data. Based on the three-axis acceleration SMV threshold algorithm with altitude detection, the algorithm is more precise to the detection of falls. Key words: Fall； MPU6050； MS5611； SIM908； SMV threshold algorithm； 21 绪论1.1 课题背景随着各国经济和社会结构的改变，人口老龄化问题已经成为人类不得不面对的共同难题。据统计，我国

8、 1559 岁人口为 92471 万人，占 67.33%；60 岁及以上人口为22182 万人，占 16.15%，其中 65 岁及以上人口为 14374 万人，占 10.47%。同“全国第六次人口普查”相比，1559 岁人口比重下降 2.81 个百分点，60 岁及以上人口比重上升 2.89 个百分点。预计到 2020 年，老年人口达到 2.48 亿，老龄化水平达到17.17%，其中 80 岁以上老年人口将达到 3067 万人；2025 年，六十岁以上人口将达到3 亿，成为超老年型国家。同时，现在大量独生子女在赡养老人方面所需承担的责任，相比以往显得更加沉重。为此年轻人外出工作以获得更高的工资待

9、遇，这已成为常态。随之而来全国不断涌出大量“空巢老人” 。由于老年人身体各项机能在不断的退化，使得跌倒在老年人群体中发生的概率大大增大。据统计，我国每年有 35%的 65 岁及以上老年人跌倒过。一旦跌倒老人很容易骨折使其无法活动，那些患有中风、心脑血管疾病的老人的跌倒，很可能还会伴随着昏迷。如果身边没有人及时发现送医，必定会错过最佳治疗时间，造成病情恶化或者留下严重后遗症，甚至导致死亡。跌倒已成为造成老人伤亡的最重要原因。1.2 课题研究目的我们都很希望家里的老年人远离跌倒危险，但是不可能只允许他们躺着或者坐着以防止跌倒。身体没有疾病伤痛固然重要，但我相信对老人来说心里的舒畅更加珍贵。在我国广

10、大农村，多数青年都外出打工，留下父母来照看其子女。这些老人的精力几乎都放在了照看孩子这件事情上，有些空闲还要去忙农活，活动量很大。跌倒的风险可想而知会很高。在城市里独自居住的空巢老人数量巨大，他们活动强度看起来不是很大，但面对城市中错综复杂的交通网，马路上川流不息的汽车，可能每天还要上下楼梯，其实造成跌倒的因素也很多。面对当前高昂的医疗费用，重大伤病的治疗肯定会对整个家庭造成沉重地经济负担，这无疑会对老人心理产生更大伤害。本文针对如何避免老人跌倒后不能及时自救，设计开发了一个通过多种传感器采集实时状态数据，经过微控制器计算和分析后得到身体姿态信息，如发现有跌倒发生就会及时控制通信模块向外界发送

11、含位置信息的报警求救短信的系统。设计时在保证检测准确的前提下，又要考虑尽量小型化以便于携带，同时为了市场的需要又要控制产品成本。该系统旨在降低跌倒对老人造成的身体及心理的伤害，延长老人寿命，并增强老人的安全感和幸福感。1.3 国内外关于该课题的研究现状目前国内外关于跌倒检测技术都进行了很多的研究，提出的解决方法主要由以下三种：通过视频检测、通过音频检测，通过穿戴式传感器检测。其中使用视频检测方法是运用在家里安装的摄像头获取老人视频图像，在同数据库中的历史图像进行比较分析，通过一些算法进而判断当前老人身体姿态是否正常。当前该方法还存在着一些问题，例如因摄像头的安放相对固定，致使其有效监测的区域十

12、分有限当，老人走出该区域时，则该系统起不到任何作用。另外要安装一套跌倒视频监测系统，其价格还是比较高昂的，一般家庭还承受不起，现阶段难以推广。并且还会受到光线等因素的影响。通过音频检测跌倒，利用了老人在跌倒瞬间产生的声音信号，对其进行分析来判断是否跌倒。这种方法最大的不足就是容易受到干扰。因为在我们生活的环境中可能3会遇到各种噪音，这很容易就会导致音频检测系统的误报。跌倒时发出的声音会随跌倒者身边的环境的改变而改变，想要过滤掉所有噪声精准检测这对系统的硬件与算法要求都非常高。运用可穿戴式装置进行跌倒检测的方式，就是把一些小型检测传感器如加速度器、气压计嵌入到可穿戴装置中，进行对身体姿态的实时检

13、测，并通过微处理器对检测数据分析计算得到结果，控制相应的通信模块发出跌倒报警信息。这种方法几乎不受地域空间的限制，几乎在任何地方都可以很好的实时进行跌倒检测及报警。另外这种装置携带方便，检测准确率高，造价也相对便宜，很有发展潜力。2 跌倒检测系统的硬件组成及相关技术2.1 老人跌倒检测系统硬件整体设计该系统整体的功能结构如图 2-1 所示:图 2-1 系统硬件功能结构图本跌倒检测系统分别由微控制器 MK60DN512ZVLL10、负责测量加速度的 MPU6050 模块、用于海拔高度测量的 MS5611 模块、用于 GPS 定位及短信报警的 SIM908 模块、可充电锂电池、稳压模块等组成。将以

14、上模块整合到一块 pcb 板上，使整个装置尽量易于穿戴并且不影响使用者的正常生活。考虑到尽量准确的测量老人身体运动姿态，建议使用者将该装置穿戴在其腰部。由图 2-1 可以清楚的看出，本系统以微控制器为核心，通过运算处理加速度计、高度计所采集的数据，判断是否老人发生跌倒，如果判定是跌倒则会启动 GPS 定位跌倒发生位置并将位置信息及时通过短信的方式通知其家属，同时启动报警蜂鸣器向周边人群求救。当然，任何检测设备都不可能做到万无一失，所以我还为该设备设计了应急按键，当系统误报时，在十秒之内只要按一下取消报警按键便可以取消发送短信，并且停止蜂鸣器鸣叫。只要按下报警按键，就算系统未检测到跌倒也会启动报

15、警程序：响蜂鸣器同时向外界发送位置坐标短信。2.2 数据采集模块本跌倒检测系统需要准确测量出老人实时运动的加速度和身体重心高度变化信息，还要尽量轻巧，不能影响老人的正常生活。所以本系统选用了体积小、精度高的MPU6050 六轴加速度模块和 MS5611 气压传感器模块。两模块内部都整合了一个 AD 转换器将采集到的模拟量信号转化为数字信号，且都集合了 SPI 和 I2C 总线接口。使得微处理器对两传感器信号的接收和处理更加方便。2.2.1 MPU6050模块4MPU6050 模块是 InvenSense 公司推出的一款低成本的 6 轴传感器模块，包括三轴加速度，三轴角速度。相比于分离式大陀螺仪

16、传感器和加速度传感器，很大程度上避免了因使用不同传感器带来的时间和空间的差距问题。其体积小巧，用途非常广，在做平衡小车，四轴飞行器，飞行鼠标等等，都是必不可少而且是最优的传感器解决方案。图 2.2 为 MPU6050 模块实物图。图 2.2 MPU6050 实物图MPU6050 拥有一个十六位的 A/D 转换器，加速度的范围包括2g、4g、8g 和16g 多个可调范围,陀螺仪范围分为250/s、500/s、1000/s 和2000/s 多个可调范围。芯片尺寸小，节约空间易于携带。模块内部还集成了稳压电路，对常见的 3.3V/5.5V 的嵌入式系统都能够完美兼容，这给开发者带来了极大大方便。模块

17、内部还做了许多数字和硬件滤波处理，在很大程度上降低了噪声，使加速度信息更精确。图 2-3 显示了 MPU6050 的参考坐标系以及对应的 3 个测量轴和测量的旋转方向。图 2-3 MPU6050 参考坐标系图MPU6050 检测到的加速度数据可以通过其内置的 I2C 总线接口传输。与微处理器相连接，此时微处理器为主设备，MPU6050 为从设备。采用 I2C 通信最大传输速率为400KHZ。该模块在使用时只需要接 SDA（I 2C 串行时钟线） 、SDA（I 2C 串行数据线） 、VCC 和 GND 四个引脚。MPU6050 模块的接口说明如表 2-1：表 2-1 MPU6050 模块接口说明

18、引脚序号 引脚名称 功能描述1 VCC 电源地2 GND 供电3 SCL I2C 串行时钟线4 SDA I2C 串行数据线2.2.2 MS5611模块5该跌倒检测系统利用气压传感器测定实时大气压强的值，通过微处理器处理换算为海拔高度信息。该设备最好穿戴在使用者腰部位置，能够相对准确的测得老人的身体重心所处的海拔高度。结合加速度计的数据，通过算法计算来判断出老人的运动状态是否为跌倒。本系统选用 MS5611-o1BA 气压传感器来测量老人重心高度变化。如图 2-4 所示，MS5611 气压传感器是瑞士公司 MEAS 生产的一款应用广泛地高分辨率气压传感器，功率很低，正常工作 状态下电流为 1uA

19、，而待机状态下甚至小于 0.15uA。采用 QFN 封装，尺寸为 5.03.01.0 mm3,最高分辨率可达到 10cm。MS5611 模块内含有一个高性能的压力传感器，其转换时间低于一毫秒。该模块的供电电压为 1.8V3.6V,内部还包含一个超低功耗的 24 为 A/D 转换器，用来把压力传感器测得的模拟信号转换为数字信号，更便于数据的传输和计算。图 2-4 MS5611 实物图MS5611 气压传感器提供 I2C 和 SPI 接口，不需要对模块内部的寄存器进行编程，本系统采用 I2C 接口接收 MS5611 气压数据， 。可工作的范围:101200mbar,-40+85。MS5611 可在

20、多种操做模式下进行转换，从而可实现提高转速度和降低电流消耗的目标。图 2-5 为 MS5611 的电路图。图 2-5 MS5611 的电路图2.3 微处理器模块微控制器是整套跌倒检测装置的控制核心，不管是数据处理，还是设备间的通信、控制都是由该模块完成的。所以它的选择对整个系统的稳定运行至关重要，其选择的标准主要有以下几条：（1）模块封装必须小巧、轻便。（2）控制芯片内所集成的功能要强大，并具有足够多的外部 IO 引脚来满足该系统完成各项工作的需要。（3）功耗低，以保障能长时间的续航。运转过程中产生的热量少，不会令穿戴者产生不适感。（4）成本尽量低，产品供货充足。6综合以上几点要求，微控制器选

21、择了飞思卡尔 K60 系列 MK60DN512ZVLL10 单片机。如图 2-6 所示，芯片采用 ARM Cortex-M4 内核的 32 位中央处理器，具有 100 个 IO 接口，512KB 程序存储器，128KB 的 RAM，处理速度可达 100MHZ，并具有 10 种低功耗模式，很好的优化外围设备和恢复时间，低功耗定时器支持可以在芯片处于低功耗模式下稳定运行。该款单片机具有四种可配置分辨率的高速 ADC，并且可选择单路输出或差分输出模式，两个 12 位 DAC、3 个高速比较器、四个 64 位可编程增益放大器。在连接和通信发面该单片机功能也很全面，具有 USB 2.0 On-The-G

22、o(全速和高速)，实现设备的充电检测功，还能对充电电流或时间进行优化，延长各种 USB 设备电池使用寿命。电源电压支持范围：1.71V-3.6V，支持 6 个 UART，RTC 实时时钟。它还具有2 个 CAN 模块，用于网络桥接，具有 3 个同步串行口 SPI 和 2 个 I2C，有 32 通道的 DMA应用于外围设备和内存，可加快传输速度，并降低 CPU 负载。图 2-6 MK60DN512ZVLL10 单片机2.4 定位报警模块 2.4.1 GPS定位技术及 GSM通信技术简介随着当今信息技术的快速发展，以前遥不可及的卫星定位系统，现在也应用到了寻常百姓家。像现在普及的智能手机，卫星定位

23、功能基本上都是必备的。还有运钞车、快递车、甚至很多家用轿车都安装了全球卫星定位系统来进行监控跟踪。目前能提供全球定位服务的有两大系统，一个是美国的 GPS 定位系统，另一个是俄罗斯的 GLASS定位系统，其中 GPS 系统现在商业运营最为成熟。中国的北斗系统只是覆盖了亚太区域，市场还有待开发，民用领路还不够普及。GPS 全球定位系统最初主要是从军事方面考虑进行研发和设计的，后来慢慢发现其在民用和商用方面也用着巨大的潜力，并得以迅速的推广使用。整个系统最少需要 24颗卫星，才能保障地球上任何位置都能在同一时间内定位到至少四颗卫星，来得到精确的位置信息。GSM（Global System of M

24、obile communication）即全球移动通信系统，是全球应用最广泛的移动电话标准。GSM 被认为是第二代移动通信标准（2G） ，同时它是一个开放的标准。GSM 只能使用短信形式传送数据，无法做到“实时在线” 、 “按量计费” 。GPRS（General Packet Radio Service）即通用分组无线业务，是由欧洲电信标准委员会推出的介于 2G 和 3G 之间的移动通信技术。GPRS 技术使得数据传输速度从 GSM 系统最高 9.6kbit/s 一下子提升到了最高 171.2kbit/s，推动的移动互联网的快速发展。该技术具有可永久在线、稳定性高、接入时间短、传输速率高等特点

25、，因而在许多行业都有大范围的运用，特别是一些需要实时数据传输的行业中其优势尤为明显。2.4.2 SIM908模块跌倒检测装置当检测到老人跌倒后，要实现立即定位老人当前所处位置，并通过短信的形式，将位置坐标信息及时发送给其家属或急救中心以寻求救助。本装置选用SIM908 模块来实现实时定位通信报警功能。SIM908 采用工业级芯片，可工作在 5V24V电压范围内，具有 GPS 定位、短信、GPRS 数据、语音传输等功能。该模块具有以下主7要特点：（1）具有 GPS 定位功能，准确定位老人跌倒位置。（2）具有 GSM、 GPRS、短信等传输功能。（3）支持 AT 指令并实现串口通信，方便数据传输。

26、（4）支持低功耗模式，延长系统续航时间。（5）集成度高，体积小，性能稳定。（6）具有基站定位功能，有天线接口，可增接收强信号强度。图 2-7 SIM908 实物图SIM908 模块提供两个不平衡的一步串行接口，其中一个串口用于通信，另一个串口用于数据调试和 GPS 输出。用到的该模块的引脚如表 2-2：表 2-2 SIM908 模块引脚定义引脚名称 引脚号 功能VBAT 62 电源供应PWRKEY 3 开启/关闭模块RXD 68 接收数据TXD 71 发送数据RTS 66 请求发送CTS 67 清楚发送GPS/DBG-TXD 15 GPS 信息输出，数据调试和GPS/DBG-RXD 16 GP

27、S 信息输出，数据调试和SIM908 模块与 MK60DN512ZVLL10 单片机连接，通过串口接收 AT 指令，来完成各项功能，连接图如图 2-8：8图 2-8 SIM908 模块连接图3 跌倒检测系统的软件算法设计硬件部分相当于整个系统的躯体，而软件算法部分才真正赋予了它生命。本章主要介绍跌倒检测算法、GPS 定位功能、系统程序整体运行过程。 3.1 跌倒检测实现3.1.1人体坐标系经过对大量跌倒数据的分析发现，跌倒检测装置佩戴位置的不同，对检测的准确性影响很大。当该装置被穿戴在腰部位置时，其检测的准确率最高。腰部最接近人体重心的位置，受到人体局部肢体运动的影响较小，能最大程度上反映出人

28、体整体的身体姿态。以腰部为原点建立人体坐标系 o-xyz，令 ax，a y，a z 分别代表人体在三个正方向的加速度大小。则当人静止时或向一个方向匀速行走时，a x，a y 的值均为 0，而 az 正好为-g。图 3-1 人体坐标轴3.1.2加速度 SVM阈值算法人体意外跌倒的原因有许多，跌倒的方向、加速度、位移都具有随机性，因而不可能通过一轴加速度的变化情况，就能判断出人体的运动姿态。另外，跌倒检测装置三个加速度的测量轴方向由于人体不断运动，不可能实时保持和人体坐标轴相一致，使得分别分析 ax，a y，a z 的变化情况来检测跌倒变得难以实现。本系统运用加速度 SVM 阈值算法很好的解决了以上问题。加速度 SVM 阈值算法就是首先利用公式（*1）计算出加速度幅值 SVM；接着对老人的各种身体运动状态下的 SVM 数据进行分析比较，得到一个合适的 SVM 阈值；最后只需利用当前检测到的加速度幅值 SVM 同 SVM 阈值进行比较即可判断老人是否跌倒。（*1）3.1.3加速度数据的采集与分析为了避免老人在实验时发生危险，本实验选择了 10 名身体健康的年轻志愿者参加。实验包含 11 个测量项目，分别让 10 名志愿者穿戴同一跌倒检测装置进行测量，记录