基于單片機和加速度傳感器的跌倒檢測設備設計

王晗　朱建博　張佳艷　高征　汪斌

【摘 要】隨著老齡化的加速，老人健康的問題越來越得到社會的關注，其中，跌倒是危害老人健康的重要原因。本文采用Arduino硬件平臺、JY901加速度傳感器模塊和SIM900A串口GPRS模塊構建了一種跌倒監測系統。該系統通過串口采集加速度傳感器模塊的運動數據，送到單片機進行跌倒檢測，GPRS模塊將跌倒狀態發到服務器遠端。該系統成本較低，能較精確地實現跌倒檢測。

【關鍵詞】Arduino；加速度傳感器；跌倒檢測

【Abstract】With the acceleration of aging problem， people pay more attention to the health problem of the elders. The falling down of the elders is an important cause for harming their health. This paper proposes a falling detection system by using Arduino platform， JY901 accelerometer and SIM900A GRRS module. The motion data sensed by accelerometer is sent to MCU for fall detection. The detecting result is also sent to server by GPRS module. This system has the advantage of low cost， and it can detect the fall accurately.

【Key words】Arduino； Accelerometer； Fall detection

0 引言

隨著現代社會的發展、生活水平的提高和老齡化的加速，老人健康問題越來越得到關注，人們不僅僅滿足于看病，并且要做到預防。其中，老人健康和日常養生保健問題是現在醫學重點研究的方向。在日常生活中，由于生理機能的退化，老人發生意外跌倒的概率很大，跌倒給老人身心帶來很大傷害。國際上老人跌倒定義為無意圖的摔倒在地上或者其他平面上，但是沒有包括外力、暈厥或疾病發作所導致的摔倒[3，9]。老人跌倒之后，會產生許多負面心理和身體上的創傷，跌倒也是導致老人出意外的一個重要原因。因此，如何進行老人跌倒的準確檢測和及時報警是一個重要的課題。跌倒檢測作為現代化的檢測手段，對保護老人身心健康起到了很大的作用[4]。

當前，跌倒檢測的方法大致分成兩類：基于視頻監控的檢測方法和基于加速度傳感器的檢測方法?；谝曨l監控采用攝像頭及嵌入式軟件檢測跌倒，該檢測方法易受到光照條件和攝像頭清晰度的影響，同時會帶來隱私泄露的風險?；诩铀俣葌鞲衅鱗5]的檢測方法采用加速度傳感器檢測跌倒，該方法成本較低，精確度較高，設計比較簡單。本文給出了一種基于Arduino單片機模塊和九軸加速度模塊JY901的跌倒檢測設備，該系統通過JY901九軸加速度傳感器模塊檢測運動數據，在單片機中判斷是否跌倒，并通過GPRS模塊發送報警信息發送出去。該設備成本低，能較精確地實現跌倒檢測。

1 系統硬件設計

圖1 跌倒檢測硬件設計圖

本系統硬件采用Arduino Uno單片機模塊，以其作為主要控制器件，Arduino單片機帶有14路數字輸入/輸出接口和6路模擬輸入接口。傳感器采用JY901模塊，JY901是一個九軸加速度模塊，內部已經實現了姿態解算器和卡爾曼濾波算法，能在運動環境下準確地輸出當前運動數據，該模塊提供I2C接口和串口，可以直接輸出數字信號，無需A/D轉換，該模塊能輸出時間、加速度、角速度、角度和磁場等數據[10]。系統硬件框圖如圖1所示：JY901模塊和Arduino單片機模塊采用串口相連，JY901模塊采集得到的加速度數據通過串口送到單片機中進行跌倒檢測。在單片機中，通過事先的實驗，取得人在站立與行走時候的加速度變化數據，再和收集到的數據來比較判斷是否超出事先所設定的閾值，如果在規定的時間內變化超過事先所設定的閾值，則由單片機將報警信息通過GPRS模塊送到服務器端。其中GPRS設備使用SIM900A串口模塊，該模塊也通過串口和Arduino單片機模塊相連，單片機和GPRS模塊通過發送AT指令建立連接和傳送數據。

2 系統軟件設計

本設計主要針對的是跌倒檢測，在參數的選擇上是使用了人體的加速度指標作為主要的檢測指標。為了更好地檢測加速度的變化，將設計的裝置佩戴在腰部，這樣有利于實現數據的采集與報警。經實驗數據分析比較走路、跑步和跌倒3種狀態下加速度數據的變化程度可知，在行走時和跑步時的變化的加速度變化相對較小，而在跌倒事件發生時，加速度（尤其是垂直的Z軸）有明顯的變化。因此，可利用加速度來判斷是否有跌倒發生。在實際場合，為了更好地判斷和結合3個方向軸的加速度數據，繼續提取加速度向量幅值[8]（AVM， Acceleration Vector Magnitude）判斷跌倒狀態。加速度向量幅值的定義為：

AVM=■（1）

其中ax、ay和az分別為x軸、y軸和z軸方向的加速度數據。使用加速度向量幅值的優點是：無論朝哪個方向跌倒，由3個方向加速度得到的矢量均可以充分參與判斷。在提取了加速度向量幅值之后，將加速度向量幅值與閾值比較，若高于閾值則認為發生了跌倒，低于閾值則認為是靜止或正常運動，由于跌倒時加速度向量幅值呈現單脈沖的特性，在實際場合，采用多次閾值判斷進行跌倒檢測，以區別疑似跌倒與真正跌倒。所謂疑似跌倒是指人在日?；顒又挟a生的導致加速度向量幅值變化卻不是跌倒的行為，例如，從靜坐到站起來、跑步、快走、上樓梯下樓梯等，如果加速度向量幅值的多次檢測結果超過閾值，即認定為疑似跌倒。

3 跌倒檢測實驗

現場測試時將跌倒檢測設備放置在人體腰間位置，實驗結果如表1所示[6-7]。實驗對7組走路（無跌倒）、向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒和向右跌倒狀態進行檢測，√表示檢測到跌倒，×表示沒有檢測到跌倒，表1數據表明大多數情況下該設備能實現跌倒檢測。實驗中加速度向量幅值閾值選定為2米/秒2，每次跌倒檢測重復檢測次數為3次。

4 結論

本文采用Arduino單片機模塊、加速度傳感器模塊和GPRS模塊構建跌倒檢測系統，通過加速度模塊采集運動數據，送到Arduino單片機模塊進行判斷是否跌倒，在判斷跌倒后，將報警信息通過GPRS模塊發送出去。該設計具有成本低和精度高的優點，具有一定的實用價值。

【參考文獻】

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