基于九轴传感器的人体异常行为检测

彭伟，肖雅萍，王世飞，高莉

（江苏师范大学自动化系，徐州221116）

0 引言

随着中国人口老龄化进程的加快，银发经济也成为市场经济里不可忽略的一部分。现阶段老年产业市场存在产品品种稀少、功能单一等问题。而现如今人工智能的飞速发展为提升老人生活质量与幸福指数提供了一条新的选择。人工智能被广泛应用于生活的各个领域，智能家居养老系统的发展也渐渐提上日程。老龄人口的不断增长，独居老人规模的不断扩大，如何解决独居老人的居家安全问题也同时成为社会关注的焦点。而作为老年群体自身行动多有不便，出现异常行为、心率失常[1]等情况。因而如何落实让所有老年人老有所乐、老有所安，已成为社会亟需解决的问题[2]。

为了解决上述问题，帮助独居老人降低生活环境周边的危险系数，减少财产损失，提高老年人晚年生活舒适程度和幸福指数，本系统旨在通过内外双重保障很好地实现对独居老人居家环境以及生理机能的检测。检测节点包括以及心率、体表温度、人体异常行为识别等多个方面[3-5]。系统通过对这些数据的检测及后期数据的采集对比分析来判断老人的具体情况。与此同时所有检测节点分析下来的详细数据以及定位信息将被发送至相关人员的移动设备上。

1 整体设计方案

系统硬件平台主要由控制器、异常行为识别模块、定位模块、健康检测模块、报警模块、居家检测模块和电源管理构成[6]。

本系统主要解决老年人独自一个人外出、在家里出现突发状况。利用三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁力计传感器负责采集人体的运动姿态，通过相应的跌倒算法处理，来判断是否出现意外跌倒等状况[7-8]；健康检测模块由心率传感器和人体体表温度传感器组成，该模块旨在时刻检测老年人人体机能的数据，控制器也将实时接收该模块传输的相关数据；定位模块通过借助GPS进行初步定位，再借助于三轴磁力计传感器进行辅助定位，提供实时位置；报警模块采用声光报警器与GSM相结合，再出现紧急情况，系统通过发送短信给相关人员报告当事人信息；居家检测模块主要采集环境温度、烟雾和防盗检测，提供一个安全舒适的居住环境；电源管理模块负责各个模块电能供应。

图1系统整体框架图

2 硬件设计

2. 1 控制器

核心控制单元的微处理器选用32位RAM系列Cortex-M4核心的STM32F407作为控制器，具有高速率、低功耗、AHB/APB、抗干扰能力强等优点。设定的工作频率为168MHz，其外设丰富可以满足本系统所需的外围设备，多余接口预留为后期功能扩展提供保障。单元实时检测利用STM32F407的IIC_SCL、IIC_SDA、TX、RX、CSL和SDA采集数据进行实时处理。以STM32控制器外设非常丰富，大大满足了本系统所需的外围设备，并且功耗低，性能高，能满足本系统的设计，所以选择该芯片为中央处理器。

2. 2 异常行为识别模块

本系统采用了九轴传感器MPU9250[9]，具有三个16位加速度AD输出，三个16位陀螺仪AD输出，三个6位的磁力计AD输出。该芯片具有实时性强，体积小等优点。利用虚拟IIC采集人体姿态的数据。在设计时采用九轴中的加速度和陀螺仪[10]考虑到参数变化的随时、随机性，设定人体的重心为佩戴点，由此建立空间坐标系来采集人体在三个方向的数据变化，通过采集分析的数据瞬态变化量，由此来判断人体所处状态[11]。

图2

2. 3 定位模块

本设计的定位系统采用SIM900A+三轴磁力计组合定位。原有的GPS定位系统不能适应例如屋内的密闭空间[12-13]，且目前民用GPS技术存在定位精度不高等问题。利用SIM900A里面的频道GPRS实现定位很好解决了上述问题。该模块解决了密闭空间不能定位的问题，利用三轴磁力计进行辅助定位[14]，能实现立体空间定位。

2. 4 健康检测模块

人体检测模块主要借助于MAX30100+IR温度传感器实现[15]。该模块具有检测心率变化，分析血压的压动信号、血氧脉搏信号等功能，IR主要用于检测人体体表温度。鉴于每个人的皮肤厚度不同，需要通过调试来调整LED电流从而提高该模块的灵敏度，很大程度上提高了检测效果。

图3

图4

2. 5 报警模块

报警模块主要由SIM900A（GSM）[16-17]+实现声光报警。在出现紧急状况时，控制器将所采集到的数据转换并发送给存储的预定联系人。系统数据在转换的同时，控制器会对相应的数据进行分析，并最终以短消息形式发送至监护人手机。相应的声光报警会发出警报声响和灯光闪烁标识最大程度吸引周边人员的注意，为紧急救援提供了另一有效保障。

2. 6 电池管理模块

该系统需要良好的便携特性，其需要通过独立、专门的电源给予支持。该电源主要性能包括使用寿命长、安全性能好、模块体积小、自供电稳定、自放电较小等。基于上述要求，本电源采用TP4056芯片，该芯片兼有电池温度检测、欠压闭锁设置、自动再充电设置以及双引脚LED显示充电、结束两个状态等优点。电池选择使用最广泛的具有高电容量、小体积、高质量、优性能的锂电池。

图5系统软件程序框图

2. 7 居家监测模块

该模块主要由烟雾传感器（MQ-135，MQ-2）和环境温度传感器组成，用于检测空气湿度、室内温度、煤气烟雾、火势火情等诸多检测点。本模块旨在保障独居老人居家环境安全。

3 软件设计

3. 1 系统软件程序框架

系统软件程序流程如图5所示，本设计系统在上电后，对所有模块进行初始化，各个模块采集相应的数据，交由单片机处理。

人体姿态检测到数据，通过虚拟I2C将数据发送给单片机，单片机通过前面编程预先输入的算法公式进行计算，求出相应的值，在图示化界面观察值突变，突变的值就会伴随异常行为的发生，利用该值代入预先范围值进行判断，并由此判断是否报警。心率、温度检测时，利用自身芯片转换为相应的数据值再发送给单片机，单片机只需简单处理该值，将值进行下一步深化，在进行报警处理。若出现异常行为（跌倒、温度低）等信号，设备马上启动定位模块，计算出该地址的经度、纬度、高度。若用户十秒之内没有通过按键关闭报警处理，该数据通过单片机触发GSM，将短消息发送给监护人，并且触发声光报警模块。如无相应的触发信号，各个模块继续监测。

3. 2 异常行为设别模块数据分析

在设计时考虑到参数变化的随时、随机性，设定人体的重心为佩戴点，由此建立空间坐标系来采集人体在三个方向的数据变化，通过采集分析的数据瞬态变化量，由此来判断人体所处状态。

通过采集的数据，将三个方向的值合成一个值来表示，检测人体跌倒、下蹲、站立和行走过程主中，在某一个时刻合成值出现突变，通过对突变值的分析，判断人体是否出现跌倒、下蹲等情况[18-19]。图6是通过MATLAB辅助处理数据仿真得到的数据图，该图表示人体不同情况下的行为信息。

图6姿态识别仿真图

3. 3 健康检测模块数据分析

该项检测温度和心率两项值。温度检测人体体表温度，温度出现高于正常值也会触发报警装置。心率传感器主要检查心率异常等情况其中B表示心率，Q表示两个脉搏波的中间值，心率计算如下：

wr_max30100_one_data（0xae，0x09，0x66）;

delayms（50）;//等待温度转化

rd_max30100_one_data（0xae，0x16）;

//读出温度信号

printf（"temp1=%d "，rda）;

temp1=rda;

rd_max30100_one_data（0xae，0x17）;//读出温度小数部分数据

printf（"temp2=%d "，rda）;

temp2=rda;

temp=temp1+（temp2*0.0625）;//计算温度小数部分最小温度值

图7

float getPos（）{

float scalar=sw/sw;//（sw-sh/2）;

float ratio=（pos-（x-sw/2））*scalar;

float p=minVal+（ratio/sw*（maxVal-minVal））;return p;}

3. 4 报警模块分析

在出现紧急状况下，处理器将采集所得的信息交由控制器处理，并判断是否出异常行为、温度过高、心率失常等情况，处理器将信息通过SIM900A处理，将信息发送到预置手机上，以达到报警效果。

图8健康检测模块图

图9报警短信图

4 结语

本文设计的是一款基于九轴传感器的人体异常行为检测系统，本设计可以实现空间立体定位、快速检测并判断人体异常情况，并将异常情况和地理位置发送给监护人，实现实时救治。经过试验，该系统在实验环境下能准确检测老年人异常情况，并能实现室内定位空间高度，本系统为老年人异常行为检测的研究贡献一点力量。