老年人跌倒检测报警装置的研究与设计.doc

分类号 密 级
u D C 单位代码10151
老年人跌倒检测报警装置的研究与设计
秦瑀阳
指导教师
滕国库
职称
教授
学位授予单位

大连海事大学

申请学位级别
工学硕士
学科与专业
计算机科学与技术
论文完成曰期
2013年5月
论文答辩日期
2013年6月

答辩委员会主席

lf!R!
Research and Design of Tumble Detection and Alram Device for
Elderly People
A thesis Submitted to
Dalian Maritime University
In partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Engineering

Qin Yuyang
(Computer Science and Technology)
Thesis Supervisor: Professor Teng Guoku
May 2013
大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文“老年人跌倒检测报警装置的研究与设计”。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。
学位论文作者签名:
学位论文版权使用授权书
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本学位论文属于： 保密□在 年解密后适用本授权书。
不保密(请在以上方框内打“ V ”)

中文摘要

摘要
随着我国人口老龄化的加剧和期望寿命的延长，老年人的健康安全问题成为 当今社会首要解决的问题。通过计算机技术来解决老年人的医疗保健问题逐渐成 为热门的研究领域。而据相关调查显示，老年人到医院因伤就诊的病例中，跌倒 病例已经超过了 50%;伤情严重需要住院的病例中80%为跌倒病例。而如果跌倒后 不能及时接收适当的治疗的话，伤情会进一步恶化。本文主要讨论了针对老年人 群体跌倒的一种检测方法，并实现了无线定位和自动报警功能，可以使受到跌倒 损伤的老年人可以尽快的接收到相关治疗。
本文首先对当今一些跌倒检测算法进行了归纳和分析，总结并比较几种检测 手段的优劣。然后从实用性、准确性等角度进行综合考虑，最后选择用基于穿戴 式传感器阀值检测的方法作为研究方向。将传感器佩戴在身上实时采集人体活动 中的数据，并制定出跌倒检测算法。
本文选用ADI公司推出的ADXL345三轴数字加速度传感器用来实时检测人 体加速度数据，将采集到的数据上传到TI公司推出的MSP430F149单片机上。 MSP430F149通过预先设定的算法进行判断，如果符合跌倒发生的条件，则通过现 场报警与短信报警两种方式报警。在短信报警的设计中还应用了当下流行的 GPSOne无线定位技术，可以将佩戴者身处的地理位置一并发给求助对象。本文针 对装置的实用性等方面设计了 USB充电、主动按键报警和手动取消报警等细节。
通过实验，本文所设计的跌倒检测算法可达到预先设定的目标。通过实验测 试，对于跌倒探测的准确率可达90%以上。本文在算法设计和系统实现上对已有 的技术进行了改进：改善了大多数现有检测技术对于佩戴位置严格要求以及无法 检测一些特殊跌倒的设计。加速度模块与人体可呈任意角度，只需紧贴躯干部位 即可。利用一种由方差概念引申而来的检测方法丰富了对于撞击剧烈程度的判定。
关键词：跌倒检测；加速度传感器；CDMA ; GPSOne

ABSTRACT
As the population aging and the raises of life expectancy,the old people's health and safety problems become current society's priorities. Through the computer technology to solve the elderly health care problem become a hot research field. According to related survey,fall in cases are more than 50% among the elderly cases of injured to the hospital;Fall in cases are more than 80% among serious injury cases requiring hospitalization. This paper mainly discusses one tumble detecting method for the elderly and implements the wireless positioning and automatic alarm ftmction.lt makes the elderly get treatment in time after the tumble.
This paper concludes and sums up some tumble detecting algorithms firstly,and sums up their advantages and disadvantages.This paper select the wearable sensors detection mode as the research direction after considering from the viewpoint of practical and algorithm accuracy.
This article selects the ADXL345 three-axis digital acceleration sensor which is provided by ADI, the sensor is used for real-time detection of the human body acceleration data and transport data to the MSP430F149 which is provided by TI. MSP430F149 make a judgment through the algorithm,and alarm if the data comply with the requirements for tumble. SMS alert application of GPSOne technology, This system also designed some other functions,for example USB charging and cancel the alarm.
The tumble detection algorithm can achieve preset goals which is designed by this paper.The accuracy can reach above 90% through test. In this paper, the existing technology is improved: The wearing position of device no longer tightly restricted. Enrich the judgment method for collision detection by a method which is evolution by the concept of variance.
KeyWords： Tumble Detection； Acceleration Sensor； CDMA； GPSOne
第1章概述 1
1.1论文的选题背景 1
1.2国内外的研究现状 2
1.3论文研究的意义 4
1. 4论文研究的内容及结构 5
1.4.1研究的主要内容 5
1.4.2论文的结构 5
第2章跌倒检测算法 7
2.1跌倒检测技术的理论基础 7
2.2对现有跌倒检测技术的分析与研究 7
2.2.1基于模式识别的跌倒探测技术 8
2.2.2基于阀值检测的跌倒探测技术 9
2.3人体体态实时数据的采集方法 10
2.3.1人体体态数据采集的工具介绍 11
2.3.2人体体态数据采集过程 12
2.4人体体态数据的分析 13
2.4.1老年人日常行为体态数据的分析 14
2.4.2人体跌倒体态数据的分析 17
2.5基于ADXL345的跌倒检测算法 19
2.5.1失重阶段的检测 19
2.5.2剧烈撞击阶段的检测 20
2.5.3人体短暂平静状态的检测 22
第3章老年人跌倒检测报警装置的总体设计 24
3.1老年人跌倒检测报警装置的功能概述及设计目标 24
3.2老年人跌倒检测报警装置的总体设计框架 25
第4章老年人跌倒检测报警装置的硬件设计 27
4.1老年人跌倒检测报警装置硬件设计框架 27
4.2 MCU模块相关电路设计 27
4.2.1 MCU的选型与简介 27
4.2.2MSP430F149的外围电路设计 29
4.3加速度传感器模块相关电路设计 30
4.3.1加速度传感器的选型与简介 30
4.3.2 ADXL345 与 MSP430F149 的电路连接设计 32
4.4 CDMA模块的接口电路设计 33
4.4.1 GPSOne 技术简介 33
4.4.2 CDMA模块的器件选材及简介 34
4.4.3 DTGS-800外围电路设计 35
4.4.4 UIM卡模块电路设计 38
第1章概述

4.5电源模块电路设计 38
4.5.1系统的供电模块设计 39
4.5.2 USB充电电路设计 41
第5章老年人跌倒检测报警装置的软件设计 43
5.1老年人跌倒检测报警装置软件设计概述 43
5.2开发环境搭建 44
5.3加速度传感器的驱动程序设计 44
5.4看门狗功能与低功耗模式的实现 46
5.5跌倒检测算法的软件实现 48
5.5.1 ADXL345中断阀值的设定方法 49
5.5.2系统中断服务程序的设计 .、..5〇
5.5.3定时器模块的应用与程序设计 51
5.5.4碰撞剧烈程度检测的程序设计 53
5.6无线定位与通信模块程序设计 54
5.6.1 AT命令简介 54
5.6.2 DTGS-800串口通信程序设计 55
5.6.3无线定位程序设计 56
5.6.4短消息收发程序设计 58
第6章总结与展望 59
6.1全文总结 59
6.2 60
参考文献 61
第1章概述
1.1论文的选题背景
跌倒是指人体失去平衡从而发生意外接触到地面或者一些较低的平面上，而 当事人无法及时做出反应从而给身体带来损伤。虽然每个人都经历过跌倒，但是 对于老年人而讲，跌倒发生的几率更大，对身体带来的损伤也远远高于年轻人。
根据我国第六次人口普查结果显示，我国65岁以上老年人口已达1.2亿，占 总人口的8. 87%;其中，年龄超过六十岁的人群占人口总数的13. 26%，达到了 1.7 亿⑴。不仅如此，老年人的比例还以每年0.3%至0.5%的速度增长。预计到2040年 我国老年人将达到3.5至4.5亿。老年人口的剧烈增加、老龄化社会结构以及老 年人的医疗保健问题己经成为当今社会要解决的首要问题。
随着我国人口老龄化加剧和期望寿命延长，老年人的健康安全问题成为当今 社会首要解决的问题。根据研究调查结果显示，全国老龄化问题最严重的城市是 上海市。上海市疾控中心监测数据显示：2010年，上海市户籍人口中因跌倒致死 1983人，其中87.1%为65岁以上的老年人，粗死亡率达77. 9/10万，相当于每天 有4. 7个老年人因跌倒而死亡[2]。除此之外，根据医院统计的老年人前来因外伤就 诊的病例中，跌倒病例己经超过了 50%;伤情严重需要住院的病例中80%为跌倒病 例。据另一项调查显示，每年有30%的65岁以上的老年人和40%至50%的80岁以 上老年人会发生跌倒[M]。我国人口基数庞大，每年有超过两千万的老年人会因为 跌倒受伤，而这引起的医疗费用的花费至少要50亿人民币。
据美国疾病预防控制中心2006年公布数据显示：美国每年有30%的65岁以上 老年人出现跌倒[5]。在美国，老龄化的不停发展也是困扰社会的一个问题，据调查 显示，在2003年到2006年，由于跌倒直接导致死亡的人数从13700人上升至15802 人。而2006年全国疾病监测系统死因监测数据显示：我国65岁以上老年人发生 跌倒死亡的情况中，男性比例为49. 56/10万，女性比例为52. 80/10万。
老年人由跌倒导致的一些常见损伤有：划伤、擦伤、骨折、软组织挫伤等。 而由于我国社会年龄结构日趋老年化，很多年轻人要夫妻俩照顾四位老人，而社
会生活压力也很大，是很多年轻人分身乏术，无法每天全日制的照看老年人。而 且如果在跌倒后没有得到及时有效的治疗，会产生更严重的后果。
跌倒不仅仅给老年人的身体造成损伤，对老年人的心理状态也是沉重的打击。 会使老年人对跌倒产生恐惧，从而不敢进行室外运动。这样就产生了恶性循环， 长期的缺乏运动会使老年人的各项生理机能下降，影响老年人的心理状态，这样 就愈发加剧了老年人的跌倒几率。
在这种情况下，需要一种能够实时监测老年人姿态情况，判断老年人是否发 生跌倒损伤，在发生跌倒的情况下及时发出报警的装置。这样可以使发生危险的 老人可以得到及时的救助，降低跌倒对老年人带来的直接和间接危害。
1.2国内外的研究现状
目前国内大多数对于老年护理技术的研究大多处于被动的医疗护理阶段。而 一些西方国家，比如近些年来在美国，在政府与社会机构的扶助之下，以提高老 年人的生活健康品质为核心的人性化的研究工作成为很多研究机构和大学的研究 课题。其中，实时监测老年人姿态并判定跌倒的技术得到了很多研究机构的重视。 在这样一个相关技术研发热潮的前提下，了解并将现有的科研成果进行比较，透 析各种技术方法的缺陷与优势就变得尤为重要。
现在检测人体跌倒的技术大致可以分为基于计算机视觉分析和基于穿戴传感 器式。
视觉分析就是通过在家庭中一些比较地面较滑，容易发生跌倒事故的地方安 装视频监视器或者是红外对射探头利用计算机视觉分析系统来判定人体姿态，从 而检测跌倒的一种方法。比如由加拿大人Caroline Rougier设计的一种方法，通过 安装摄像头利用计算机视觉系统将人体的形态变化与运动过程相结合，从而判断 跌倒[6]。该方法安装成本较大，且局限性大。
穿戴传感器来检测的方式从名称来看就能知道其特点，就是将检测和报警的 装置穿在使用者的身上，通过设备中的传感器检测数据，然后利用算法分析人体 姿态而自动报警的一种方法[7]。现在穿戴传感器方式主要有基于足底压力传感器和
佩戴加速度传感器两种方式。穿戴传感器方式具有较好的灵活性，可以深入生活。
基于穿戴传感器方式判别是否发生跌倒的方法主要有利用模式识别算法进行 样本分离的方法和判断传感器采样值阀值的方法。判断阀值的方法主要理论依据 是，一旦当佩戴传感器者发生跌倒情况的时候，人体所受到的三个方向的加速度 值都会发生相应的变化。通过对人体跌倒行为加速度变化值的观察分析其特征并 设定有效的阀值，系统在人体跌倒的过程中结合时间域的特征与预先设定好的阀 值，就可以有效的检测到跌倒。另外，也可以通过模式识别的方法来判断跌倒。 现在比较具有代表性的技术就是西安交通大学所研究的一种跌倒检测算法。这个 算法就是利用模式识别的思想来实现的。在该系统中跌倒检测分为两个层次的算 法，首先利用支持向量机算法从输入中提取疑似跌倒数据，然后再通过算法将可 疑数据实现最佳的分离，最后通过算法实现精确分类[8]。这种算法需要对日常行为 加速度值样本经过多道算法程序进行检验与排除，所以需要的计算量偏大，需要 性能较高的硬件平台才可以实现。
国内现在同类产品还处于刚刚面世、产品完善阶段，有很多问题需要不断的 探讨与改进。例如第十三届高新技术成果交易博览会上，西安中星测控有限公司 展示的一款人体跌倒报警器。这款新颖实用的装置吸引了很多人的眼球。这也说 明了这种针对于老年人医疗护理的研究有很好的发展前景及空间。

图1.1 一款跌倒报警器 Fig. 1.1 Alarm Device After The Fall Down

1.3论文研究的意义
首先从道德角度来讲，百善孝为先，对老年人的呵护是做儿女的责任，也是 全社会的职责。现今老年人跌倒了该不该扶，怎么样扶引发了全网络、全社会的 热论。现在虽然有些人借着摔倒好心人去搀扶的机会进行讹诈，但个别的案例不 应用有所有老年人的身体健康、人身安全买单。如果老年人佩戴跌倒报警装置， 可在发生危险的第一时间得到家人的营救，从而极大的保证了老年人的身体状况。
其次从技术角度上来讲，在嵌入式技术飞速发展的今天，各类嵌入式产品如 雨后春笋。嵌入式产品给人们的生活带来了便捷。而对于人体姿态方面的嵌入式 产品研发更是时代的弄潮儿。典型产品如当下流行的体感游戏机等。对于基于人 体姿态的研究同样在医疗护理领域有着良好的发展前景。
本文讨论了如何用MEMS三轴加速度传感器实时测量人体姿态相关数据，然 后以特定的采样频率进行采样，分析人体在正常站立、行走、上下楼梯、跌倒等 姿态的人体特征值。最后制定算法，能在人体实时运动中检测到人体的跌倒状态， 最后将报警信号以及地理定位信息通过短信的形式发送到预设手机用户的手机 中。
微机电系统(MEMS)是指适用于大批量制造的，集微型传感器、微型执行器、 微型机构、控制及通讯接口电路和信号处理、能源等于一体的能完成特定功能的 微系统。MEMS是多学科交叉的前沿研究领域'在21世界中，MEMS技术一定 会给社会带来像上个世界微电子技术的影响一样，它的发展将可能引发一场新的 产业革命。本装置采用MEMS三轴加速度传感器也是顺应了现今潮流的发展。
当今关于人体跌倒报警的研究大致处于发展和完善阶段，远远没有达到成熟。 常用的几种监测方法也各有各的不足之处。
如上一小节所述。基于计算机视觉分析的方法安装成本大，且地理位置局限 性大。而采用足底压力传感器的穿戴式则存在穿戴复杂，对于老年人独立佩戴不 便等缺陷。在基于穿戴加速的传感器的两种检测方式中，基于模式识别方式运算 量大，对于硬件要求高，一定程度上影响了实时性。而单一使用的基于阀值检测 的方法又因为算法简单、对于姿态检测的纵深度不够等缺陷容易使设备发出假阳
性报警(没有跌倒却发出报警)和假阴性报警(发生跌倒却没有发出报警)。
本文应用了一种在成本和效率上都能够基本符合应用要求的阀值检测法。并 针对阀值检测的一些缺陷在软硬件上提出了改善。
这就为这个研究提供了研究方向与理论可行性。本文将在讨论硬件搭建、算 法编写后，讨论一些这种产品的改善方法与理论依据。
1. 4论文研究的内容及结构
1.4.1研究的主要内容
本文主要重点完成了一个在人体跌倒时能够利用三轴加速的传感器实时监测 并实现自动远程报警的解决方案。首先对现有的几种跌倒探测技术进行了研究与 比较。其次确定数据采集方式，利用MCU与PC端的RS232通信将加速的传感器 的实时检测数据上传至PC端，并制表待分析。然后通过分析数据找出人体跌倒的 特征数据。最后对系统的软硬件进行详细设计实现功能。研究主要分为三个阶段: 对现有技术的研究、数据采集分析及制定算法、功能实现。
a) 对现有跌倒探测技术的研究
分析了现今几种常用的跌倒探测技术。比较它们的优劣，选择一种较为适用 的方法作为研究的方向。
b) 数据采集分析及制定算法
在这个阶段要确定数据采集的方法，通过PC端软件对人体实时体态数据进行 接收和保存。分析人体各种姿态的数据特征，针对单一阀值检测的缺陷制定多阀 值检测的算法。
c) 功能实现
对系统的软硬件进行设计和实现。添加报警模块，在通过算法检测到跌倒后， 通过GPSOne模块完成地理位置的定位，并将信息通过CDMA模块发送到预存手
机号码。
1.4.2论文的结构
本文主要探讨了利用加速度传感器对人体跌倒判定的一种方法。首先通过对 人体日常行为的数据分析制定算法，然后根据算法对人体是否跌倒进行判定。在 此基础上，利用当今流行的GPSOne无线定位技术将老年人跌倒的地理位置信息 发送给其亲人。论文章节安排如下：
第1章，概述。描述了选题背景以及现今国内外的研究状况。对整篇文章的 章节架构进行安排。
第2章，跌倒检测算法。研究分析了现有的跌倒探测技术。提出对于人体实 时姿态数据的采集方法。提出了一种基于ADXL345三轴加速度传感器的跌倒探测 算法。 _
第3章，老年人跌倒检测装置的总体设计。对系统的功能需求进行归纳，设 计系统的总体框架。
第4章，老年人跌倒报警装置的硬件设计与实现。对系统的硬件电路进行设 计，阐述了各个器件的电气特性以及连接方法。
第5章，老年人跌倒报警装置的软件设计与实现。完成对各个模块的驱动程 序，实现算法。
弟6早，总结与展望。总结了本文所做的工作，并根据本文研究内容过程中 发现的一些问题，提出了下一步工作的展望。
第2章跌倒检测算法

第2章跌倒检测算法
2.1跌倒检测技术的理论基础
据国内相关机构对于跌倒相关的流行病研究发现，造成跌倒的因素有很多， 包括视力障碍、周遭环境因素、关节灵活度、柔软度、身体机能退化、肌肉萎缩 无力及平衡性障碍等因素均会导致老年人的跌倒。其中，平衡性障碍是引发跌倒 的最重要的一个因素，双脚是人类用来移动的最主要的身体部位，人类在利用双 脚移动的同时，要用全身的肢体与器官来保持在移动过程中的平衡。老年人因为 上述的各种身体机能老化、退化，导致了在双脚行进中平衡过程受到影响，就会 导致老年人的摔倒。
跌倒的发生主要是由身体失去对于平衡的控制而引起的行为，在发生跌倒的 过程中人体通常无法控制自己的倾倒动作。跌倒一般只发生在一个短暂的时间内， 比一般的正常活动（如坐下、躺下、上下台阶、蹲下等等）要短上许多。也正因 为人体会在一个短时间内发生一个不可预知的倾倒，使得人体躯干的中心瞬间的 朝倾倒方向移动。如此，人体的这一倾倒动作结果便会产生一个加速度的值。这 一个加速度的值有别于其他正常活动，所以对加速度值的分析可以为跌倒检测算 法的实现提供理论依据。
2. 2对现有跌倒检测技术的分析与研究
现今的对于跌倒检测的算法技术主要分成了三个大类：基于声学的跌倒检测 技术、基于计算机视频的跌倒检测技术和基于穿戴式的跌倒检测技术。基于视频 的跌倒检测技术和基于声学的跌倒检测技术一般都是通过在特点地点（比如老年 人的居住房屋内）事先进行系统安装，这使得跌倒检测受到了检测地点的限制。 所以基于声学或计算机视觉的技术远远没有基于穿戴式传感器的跌倒检测技术更 加适合应用于跌倒检测器。
基于穿戴式传感器的跌倒检测技术又可以根据佩戴传感器的类型及位置不同 可以分为加速度传感器检测方式和压力传感器检测方式。压力传感器的的检测方 式主要是利用在足底放置压力传感器。利用足底压力传感器与其他传感器的协同 工作，可以区分开人体的跌倒与正常行为。基于加速度传感器的检测方法主要是 实时监控人体运动的加速度参数，当人体运动的加速度参数发生改变时，通过算 法的运算判断是否发生跌倒。而基于加速度传感器的检测技术又可以细分为阀值 检测法和模式识别法。图2. 1为跌倒探测技术的分类图。

图2.1跌倒检测技术分类图
Fig. 2.1 The Fuction Map Of ADXL345
主要利用足底压力探测器的方法由于佩戴十分不方便，且布线复杂不适合应 用。而现在加速度传感器模块的封装小、适用性高，这使得主要的探测技术还是 集合于利用佩戴加速度传感器来实现。
2.2.1基于模式识别的跌倒探测技术
利用模式识别来实现跌倒探测的方法有很多种，其中西安交通大学所研究的 跌倒检测算法比较有代表性。该系统中将跌倒检测算法划分为两个层次：预处理 和高级处理。
预处理就是在输入的样本中通过一种支持向量机的算法将可疑的数据提取出 来作为下一级算法的样本空间。在这个过程中利用由SVM算法演变而来的 One-class SVM算法进行计算。该算法是通过核函数将所有加速度采样值的样本映 射到高维特征空间从而实现了分类。One-class SVM在这个高维特征空间中确定了 一个包含所有目标数据的最小超球体表面作为分类器。再确定一组松弛变量，利 用这组变量来平衡超球体的半径以及超出超球体表面的样本数量。这样，通过分 类器就可以将达到将大多数误报样本排除。
研究的结果表明，将跌倒从低强度的日常行为特征中分离是十分有效的。但 是无法很有效的从高强度的日常活动特征中分离。所以，将上述利用One-class SVM算法作为分离器的方法称为预处理，可以将可以数据从日常运动加速度序列 中提取出来。
经过预处理提取疑似跌倒的样本后，再将这些样本进行高级处理。高级处理 是通过KFD算法实现最佳分离，再通过k-NN算法实现精确的分类。
由于模式识别法需要将采样数据经过几种复杂的算法进行运算，有很大的运 算量，这对硬件平台的运算速度要求很高，才能达到实时检测计算的目的[1()]。 2.2.2基于阀值检测的跌倒探测技术
跌倒可以理解成人在失去平衡，毫无准备的情况下，由前一时刻保持稳定的 姿态突然向躺倒姿态的转变。在这一个过程中，重力是影响这一运动过程的主要 因素。在跌倒的过程中，人体躯干的位移、加速度、速度和相对于地面的倾角都 会发生了一定的变化。基于阀值的跌倒探测技术就是通过对人体跌倒状态进行建 模并提取了人体在跌倒这一过程中加速度的特征值，设定了数据变化的阀值，当 数据达到阀值时判断人体发生了跌倒。
现有的基于阀值检测技术基本上将以下几个方面作为人体发生跌倒的判定依 据：
>人体跌倒前后相对于地面倾角的变化。将三轴加速度传感器按照要求佩戴 在人体上，其中要是一个轴的方向与地面垂直，与人体躯干部位平行。当人体正 常行走的时候，与地面垂直那个轴的加速度值总是保持在重力加速度g (9.8g)附 近。而当人体倒地后，由于体态发生变化，原来的垂直轴变为水平，而原来的一 个水平轴变成了数值，这样的两个轴的加速度值互换可以作为人体跌倒判断的一 个阀值。但这种方法有两个缺点：首先是佩戴方式要求严格，必须确定一个固定 的轴与地面保持水平。其次，人的跌倒不仅仅是从站立状态到躺倒状态的一个改
变，也有可能发生从床上滚落跌倒和向后坐倒等情况的放生。
>人体跌倒过程中角速度的变化速率。这种方法是根据三轴加速度的实时变 化数值可以根据计算得到人体躯干部位在一定时间内的角速度变化。因为跌倒是 一个短暂的过程，在这期间的人体的角速度变化速率会达到一个相对高的值。这 种检测方法解决了第一种方法未能解决的一部分问题，但如果当向后坐倒这类情 况发生时，其实角度并没有发生太大的变化，说明这种方法也有一定得缺陷。
>人跌倒的过程中经历的失重过程。在人体跌倒的前半段过程是一个失去平 衡的短暂下跌过程。这个时候人体会经历一个短暂的类似失重的状态。这种方法 可以与对于其他方面的检测相互配合，作为跌倒检测技术的一环。
>人体与平面撞击所产生的瞬时加速度。在人跌倒时之所以会造成伤害，是 因为人体经过加速度使得自身的动量变大，与地面等刚性物体接触会产生一个较 大的冲力使得身体受到损伤。在与刚性物体接触的时候会产生一个较大的反作用 力，这使得人体瞬时的加速度值会产生一个较大的波峰。对于这个波峰值判定可 以作为跌倒检测技术判定的一个阀值。
任何一个单一的当前基于阀值检测的方法都无法有效的对跌倒进行检测。本 文后面章节会通过人体体态实时数据的分析设定一个基于多重阀值检测的算法， 以保证算法的准确性。
2. 3人体体态实时数据的采集方法
要对人体跌倒过程对人体体态进行实时的检测以达到判定跌倒的目的，就是 在跌倒过程中通过加速度传感器对人体受加速的情况进行实时检测。然后要将得 到的三轴数据存储待分析，经思考决定将数据实时发送到PC端进行数据管理和分 析。
根据研究表明，当对人体体态数据进行频率为50HZ进行采样时可以基本较为 精确的得知人体的运动状态。而采用更高频率时会对MCU造成较大的压力。所以 本文在数据采集和算法实现阶段都采用50HZ的采样频率。
2.3.1人体体态数据采集的工具介绍
PC端
轴速传器
三加度感
电源模块（为微处理器和传感器供电)
数据采集工具主要可以分为微处理器、加速度传感器模块和与PC端通信模块。 图2.2为数据采集系统的框架图。
图2.2数据采集系统框架图 Fig. 2.2 DAS Framework Map
微处理器与PC端的通信通过RS232通信完成，由于所要传递的加速度数据 对于PC端的串口工具有特殊要求，所以我没有应用常用的串口调试工具，而是自 己编写了一个基于MFC控件的串口通信程序。为了提高双方通信的可靠性和可靠 性，要在通信的过程中制定通信协议，然后双方通过预先制定的通信协议进行通 信。图2. 3为PC端数据采集工具运行图。

图2. 3串口调试助手 Fig. 2.3 SCOM Assistant

2. 3. 2人体体态数据采集过程
在数据采集的实验中，将加速度传感器模块固定于人体的躯干，最好是腰附 近。这样可以较为准确的测量出人体所受的加速度变化。图2. 4为模块佩戴图。

图2. 4 ADXL345模块佩戴图 Fig. 2.4 Wearing ADXL345

模块佩戴好后，确定传感器与MCU、MCU与PC端通信的正常。然后开启 PC端的串口通信，这时PC端接收到的加速度值就会随着人体的不同行为产生不 同的变化。
在这里将实验分为八组，分别是：行走实验、上下台阶实验、坐下起立实验、 蹲起实验、向左跌倒实验、向右跌倒实验、向前跌倒实验和向后跌倒实验。对于
老年人跌倒检测报警装置的研究与设计

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图2. 5数据分析截图 Fig. 2.5 Data Analysis Screenshot
选取这些行为的原因将会在下一章进行阐述。据相关研究表明，人体跌倒的整个 过程在5秒之内，所以每次实验的时间选为5秒，经实验证明，5秒足够人体完成 一至两个动作，可以达到预期的效果。每组实验做十次，记录实验过程中测量的 数据。将每次实验生成一个折线图，以便直观的观察并分析。图2.5为以行走实 验为例的数据分析图。
2.4人体体态数据的分析
SVA = yjx:
+ y +z'
(2. l)
过上一节介绍的数据采集系统在实验中测得人体在日常行为与跌倒过程中加 速的值得变化，这些数据为确定人体跌倒检测算法提供了理论基础。在此，要先 引入SVA (Signal Vector Amplitude),即向量幅值。SVA的定义如下：
其中，x为x轴加速的值，y为y轴加速度的值，Z为z轴加速度的值。SVA 是表明当前时间加速度偏离正常值（lg)的一个程度，当SVA小于1接近0的时 候可以理解成处于失重状态或者理解成人体主要受到地球引力向下运动的这样一 个状态。而当SVA值相当大的时候可以表明此时人体受到了相当大的一个外力从 而产生了较大的加速度。所以SVA的值对于判断人体收到外力的大小和是否处于 失重状态有很大的帮助。
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第2章跌倒检测算法

2. 4. 1老年人日常行为体态数据的分析
老年人由于生理机能的减退，造成腿脚不灵活、平衡能力差从而使得老年人 容易跌倒，而且在日常行为中也以缓慢的动作为主。以上也说明了老年人在日常 生活中基本不可能有跑、跳等剧烈运动。所以如上一节的实验分组所示，对老年 人的日常行为分析主要在行走、蹲起、上下台阶、坐下起立这四个方面。上下台 阶以及坐下起立这两个行为中，人体受到的加速度值相对行走、蹲起以及其他非 主要行为所受到的加速度值得特征更接近于跌倒的特征值，所以选取这两个行为 做为实验对区别跌倒和H常行为有比较有效的作用。
行獅速度变化囹
:轴加速度 y轴加速度 z轴加速度
——SVA
时间（单位：20ms)
(實1.0"赵栅)蝉刨«另
在行走过程中，老年人的脚步不快，所以加速度的变化并不大。如图2.6所示， 三轴的加速度基本上都在一个较小范围内波动。而且波动的频率较低。因为SVA 在静止的状态下的值约为lg，所以SVA在行走过程中的波峰值与波谷值都在lg 附近。SVA波峰是在人体发力和脚接触地面产生震动是产生的，波谷是在一脚悬 空向前迈步时产生的。三轴中加速度值与传感器模块固定在躯干上的位置以及人 体移动的方向有关。
图2. 6行走加速度变化图
Fig. 2.6 Acceleration Change In The Process Of Walking 再看蹲下起立过程中的加速度变化。由图2.7可见，在时间轴刻度为85左右 的区域SVA的趋势为向下，这说明人体开始下蹲。由于人体的腿部会自然发力来 延缓身体下降的速度来自我保护，所以可以看到SVA的波谷值并没有答到零点附

第2章跌倒检测算法

蹲下起立加速度变化图
X轴加速度 yf由加速度 z轴加速食 SVA
(旨10-§)還賃
近。而在这一时域内，原本值在-lg附近的X轴加速度以相对的趋势向上运动，这 也可以说明SVA值变小的原因是由于受力在与地面垂直轴变化的缘故。在SVA到 达波谷后又有突然向上攀的趋势，而后又有一个较为明显的波动。这说明在蹲下 后身体会产生震动，这样的震动会对加速度值产生变化。在后半部分，SVA有一 个接近1.5g的峰值，这是人体在起立过程中，腿部发力得到地面的反作用力产生 类似超重的现象引起的。
图2. 7蹲下和起立的加速度变化图
Fig. 2.7 Acceleration Change In The Process Of Squating And Standing Up
人体在坐下与躺下过程中的姿态是与跌倒过程中的姿态最为接近的，由于人 体在躺下的过程中动作一般都是比较缓慢的，产生的加速度变化剧烈程度往往没 有坐下产生的大，所以在这里只分析人体坐下和起立时候的加速度变化。如图2.8, 和蹲下起立一样，坐下的过程中也会产生一个SV