基于三轴加速度传感器的老年人摔倒检测算法的设计与实现

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(商洛学院 电子信息与电气工程学院，商洛 726000)

0 引言

截至2017年底，我国60岁及以上老年人口有2.41亿人，占总人口17.3%，而且这个比例还将不断攀升。目前我国养老服务机构的现状是低供给难以满足高需求，据权威调查，养老机构床位难求，加上子女工作经历有限，使老年人安全问题逐渐受到人们的关注。对满足老年人需求的摔倒检测装置的设计与实现具有极大的现实意义，不仅有助于老年人生活品质的提高，还有助于减轻社会和子女的压力。

1 需求分析

目前的摔倒检测技术的应用范围较为受限，分为以视频、声学、加速度传感器为基础的三种摔倒检测方法。其中通常只能在给定区域内完成视频摔倒检测过程，实时性较差，使用范围受限，隐私安全问题难以受到保护；声学摔倒检测方法通常只能作为检测的辅助技术，原因在于其缺乏精度；而应用加速度传感器技术的摔倒检测系统可对人体活动进行实时监测，并且不受地点范围的约束，适用性较强，是目前用来检测老年人摔倒的普遍用法，由于健康理念的提升和富足的时间，老年人的日常行为活动较多，某些部位会频繁的变化，如大臂、手腕、膝关节、脚踝等，导致采集这些特征部位的数据虽容易但却很难找到其中的规律，导致误判率较高，降低了系统的准确性。为克服这些困难，本文的特征部位选用前躯胸腔，提高数据的规律性[1]。

2 老年人摔倒检测系统及算法设计

2.1 系统设计原理

本文通过分解人体运动的过程，作为检测老年人摔倒行为的基础，人体运动虽然不确定性和复杂性程度较高，但是不同运动过程具有相应的特点。细分人体摔倒过程为平衡状态、失去平衡、冲击障碍物、倒地后恢复平衡几个部分，所呈现出的运动学信息异于其它运动过程，可作为识别摔倒的有效依据[2]。本文将人体状态用坐标定义，以胸腔部位作为特征部位建立Oxyz坐标系，如图1所示。

图1 三维右手直角系

为了不影响老年人的日常活动，检测设备的设计遵循小巧、轻便的原则，主要佩戴于老年人身上，并且能够长时间连续不间断的工作，完成对老年人活动状况长周期检测，方便老人的使用。因此系统设计的另一个关键要求就是低功耗。为了协调好完善的系统功能与低功耗的矛盾关系，选择的器件既要满足摔倒检测整体功能有要在使用性能上具备低功耗特点。

2.2 摔倒检测算法设计

算法设计的基础和重点在于人体日常动作与摔倒过程的加速度数据的获取，然后通过数据的整合将最佳阈值点提取出来。通常人体处于失去平衡状态时，向某一方向倾斜或倾倒，此时身体会偏离正常轨迹，对于老年人来说发生摔倒的概率就会较大，人体活动过程较为复杂，是许多连续动作相互作用的结果，本文将姿势大体分为以下几类，具体如图2所示。

图2 人体摔倒姿势

老年人日常活动主要有正常活动状态、加速行走、坐下及起立、下蹲及起立等过程。本文对下列9项动作过程进行仿真，包括摔倒动作(两侧摔倒；普通摔倒，动作相对剧烈导致一般严重的后果；干扰摔倒，遇到障碍物，过程波折且动作变缓，导致一般轻微的后果)与日常活动(下蹲及站起、坐下及站起、躺下及站起、上下楼梯、上下电梯、走路)[3]，采集各项动作过程的加速度数据。这其中的其中下蹲及站起、坐下及站起、躺下及站起三项动作，可导致三轴加速度的剧烈改变，在阈值判断算法中是最强干扰项，因此增加这三组测试中的模拟次数，降低误判的发生概率，具体可通过在测试中频繁的嵌入相对剧烈的动作，找到加速度变化差异的规律性；第走路与上下电梯两项运动较为平缓，测试缓慢情况即可。调查资料可知运动平稳电梯的加速度值变化范围在-0. 15-0.15 g内；两侧摔倒后果通常也较为严重，与普通摔倒类似，通过不断重复模拟测试，增加测试次数，进而可以在大量所得测试数据中找到变化规律；干扰跌倒过程虽不剧烈，但受干扰因素的影响，预测准确率比较低。具体如表1所示。

表1 各项动作模拟次数

关数据测量说明:适当减少权重较小动作的仿真组数，增多权重较大动作的仿真组数；各全程动作模拟所得数据会因人体各动作过程时间的不同而导致个数的不同。

2.3 模拟测试数据分析

通过分析具体数据，确定判断摔倒的条件及阈值算法。处理完数据后，对加速度变化情况进行统计，列出各项结果如表2所示。

表2 加速度变化情况

综合分析表中数据，结合统计学相关知识，得到合成加速度阈值点的上下限范围为0.668-1.3 g，超过此范围即可判定为摔倒情况发生。

3 老人摔倒检测系统设计

3.1 系统硬件设计

为方便老年人使用并能够对人体特征参数进行检测，本文系统设计使用可穿戴式设备，便于携带。首要功能是采集和传输老年人活动的加速度数据，为实现首要功能，硬件设计由采集加速度数据、数据处理核心、无线通信和实时短信通知四个主要模块组成，系统具体硬件结构如图3所示。

采集加速度数据由三轴加速度传感器实现，单片机接收并处理通过I2C 接口传送的加速度数据，上位监测平台通过无线模块接收到处理结果后，使用阈值判断算法判断出阈值，若判断结果为摔倒则立即发出警报，启动GPRS短信模块将判断结果以短信的方式发送给亲属或子女[4]。

图3 系统硬件结构图

(1) 选择与配置传感器单元

依据人体正常行走与摔倒发生时，相应的加速度变化情况原理不同，本文三轴加速度传感器选择MMA8451Q，精度可选范围为8-14位，使用I2C作为输出口，量程覆盖广，包括-2—2 g、-4—4 g、-8—8 g，输出数据速率范围在1.6—800 Hz间，可检测自由落体、振动、倾角等，启动模式和休眠模式可以快速切换。

(2) 处理器核心单元

为满足低功耗需求，本文摔倒检测系统采用了MSP430系列的单片机(TI公司生产)。其主要优势在于拥有丰富的外设接口，功耗低，应用范围广，适用于某些电池供电的智能传感器及手持设备等。

(3) 无线通信模块

为保证数据的有效传输，本系统使用无线通信芯片NRF24L01模块，内部集成Enhanced Short Burst协议，调制方式采用FSK，可实现一对六或点对点，通信速度可达到2 Mbps。

(4) GPRS短信模块

本系统通过GPRS无线模块的植入，可实现及时发现老人摔倒，一旦发现加速度超过预设阈值时，自动将老人摔倒情况及位置以短信的形式发送到指定人员的手机上，便于采取下一步急救措施。

3.2 软件设计

本系统软件设计实现功能如下：监控各单元的工作状态，实时对异常情况进行分析和处理；完成X、Y、Z轴的加速度矢量的实时采集工作，传输数据至上位监测平台。实时三轴加速度数据的绘制及存储在上位界面实现；根据阈值点算法判断是否发生摔倒；摔倒发生后，实时在人机界面显示并短信报警。

在IAR开发平台下使用C语言编写下位软件程序;在VS平台下使用VC++编写上位软件程序。软件设计的工作流程图如图4所示。

4 实验测试与结果分析

利用阈值点算法进行有效性测试，在人体胸腔位置处固定本实验设备，设置加速度传感器 量程范围-4—4 g，模拟动作仍然是前文依据人体正常行为和摔倒行为划分的9项，实验结果如表3所示。

通过与理论数据对比，表明该系统的准确率较大。实验结果表明本系统及算法的设计实现了预期的效果。在不同环境下存在难以预测的干扰因素会影响到传感器的数据采集与处理，一定程度上降低了实验的准确性。

5 总结

本文完成了基于3轴加速度传感器的老年人摔倒检测系统及算法的设计，实现系统硬件设计和软件及算法设计，通过使用本系统可以实时监测老年人的活动情况，当人体的运动状态改变时，通过摔倒检测算法进行判断摔倒是否发生，一旦发生则实时通过上位机界面发出警告，通过GPRS模块发送求救短信给指定人员，方便亲属采取救助措施。通过实验验证该系统可有效检测出摔倒情况的发生。

图4 软件工作流程图

测量项目准确次数/测量次数下蹲站起95/100坐下站起90/100上下楼梯80/100走路100/100上下电梯50/50两侧跌倒175/186普通跌倒175/200干扰跌倒190/200躺下站起173/200