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智能穿戴跌倒检测系统:守护老年人安全的关键
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更新于2023-05-10
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"智能可穿戴跌倒检测系统是针对老年人意外跌倒风险而研发的一种创新解决方案。该系统的核心组件是Inertial Measurement Unit (IMU),它能测量人体在三维空间中的六个自由度参数,包括加速度和角速度,以此来捕捉个体在运动中的动态变化。通过定制的跌倒检测算法,系统能够实时分析这些数据,识别出跌倒的特征模式,比如突然的加速或旋转,与日常活动行为进行区分。 系统的关键技术包括使用低功耗蓝牙(BLE)进行数据传输。BLE的优势在于其低能耗特性,适合长时间佩戴且不干扰用户日常生活。当检测到跌倒信号时,系统会立即通过BLE将报警信息推送到用户的智能手机或其他连接设备上,确保及时得到救援。 设计上,系统首先通过MPU-6050 IMU收集数据,然后通过I2C数字通信接口与nRF51822 BLE片上系统进行集成,实现了数据采集和无线通信功能。跌倒检测算法则是系统的核心智能部分,通过阈值设定和数据分析,判断是否存在跌倒情况。 在实验验证阶段,系统经过了一系列跌倒场景的测试,结果显示其能够准确地识别和响应跌倒事件,有效地保障了老年人的生命安全。随着全球人口老龄化的趋势,这种可穿戴跌倒检测系统具有广阔的市场前景和实际应用价值,有助于改善老年人的生活质量,降低意外伤害的风险。" 这个系统的设计旨在解决老年人意外跌倒的普遍问题,通过科技手段提供了一种便捷且可靠的解决方案,充分体现了现代智能技术在健康管理领域的潜力。
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一种智能可穿戴的跌倒检测系统一种智能可穿戴的跌倒检测系统
针对老年人意外跌倒的问题,设计了一种新型的可穿戴式跌倒检测系统。利用惯性测量单元(Inertial
Measurement Unit,IMU)对人体的6个自由度(Directions of Free,DoF)参数进行测量,通过跌倒检测算法
分析自由度数据,及时检测出跌倒,并将报警信息通过低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)发送到智能
手机等终端。对不同的跌倒情况进行一系列的试验,测试结果表明,该系统可以有效地检测到意外跌倒事件并
发出报警信息,达到预期目标。
摘 摘 要要: 针对老年人
关键词关键词: 意外跌倒;惯性测量单元;跌倒检测算法;低功耗蓝牙
0 引言引言
由于体质的下降和生理机能的衰退,老年人容易发生意外跌倒,意外跌倒发生后,如果不能及时获得救助,甚至可能危及
生命安全。随着人口老龄化社会的到来,老年人的意外跌倒问题已成为十分重要的医疗和社会问题。跌倒检测系统的目标是能
够准确并及时地检测到跌倒的发生,能够将其与日常活动(Activity in Daily Life,ADL)相区分,并在检测到跌倒时发出报警
信号,从而保障老年人的安全和健康[1]。目前,针对跌倒的检测方法主要有3种:视频监测法、音频和振动检测法、可穿戴式
装置检测法。基于三轴加速度传感器的跌倒检测系统成为目前国内外研究的主要方向,加速度阈值法是常用的跌倒判定方法
[2]。可穿戴设备外形小巧,有着优良的电池寿命。另外,随着智能终端上BLE技术的普及,以智能终端为中心,以穿戴设备为
应用外设,以BLE为数据通信链路的可穿戴系统具有巨大的市场发展潜力。
1 系统设计系统设计
本文设计了一种基于BLE的跌倒检测系统,系统采用InvenSense公司的MPU-6050 IMU测量人活动时的三维加速度和三
维角速度共6个DoF的数据。再根据这些数据并结合跌倒检测算法进行处理和分析,从而判定是否发生跌倒。最后,通过
Nordic公司的nRF51822 BLE片上系统将检测到的报警信号传输到智能终端,实现跌倒的检测和报警信号的获取。
跌倒检测系统包括数据采集、跌倒检测算法和信息传输。其中,数据采集涉及MPU-6050的工作配置以及MPU-6050与
nRF51822 BLE片上系统的I2C数字通信接口的实现。跌倒检测算法涉及算法的原理与具体实现流程。信息传输涉及BLE与智
能终端之间数据通信的实现。其中,nRF51822片上系统集成了Cortex-M0内核和BLE模块。跌倒检测系统结构如图1所示。
MPU-6050与nRF51822可实现单板集成,外形小巧易于穿戴使用。穿戴位置可选择腰腹部位,尽可能减少日常活动对系
统的影响。
1.1 nRF51822 BLE片上系统片上系统
BLE继承了传统蓝牙技术在无线连接上的固有优势,同时增加了高速和低功耗的特性。BLE的核心是低功耗技术,契合了
可穿戴设备的技术需求。
nRF51822 BLE片上系统集成了32位的Cortex-M0内核,256 KB Flash和16 KB RAM,2.4 GHz射频模块,定时器/计数器
以及模拟与数字外设等。其中射频模块支持BLE。另外,Nordic公司提供了完整的BLE协议栈解决方案,它集成了低功耗的控
制器和主机,并提供了在片上系统(System on Chip,SoC)上开发BLE应用的完整且灵活的应用程序接口(Application
Program Interface,API)[3]。用户只需定义和实现BLE应用的通用接入规范(Generic Access Profile,GAP)层和通用属性
规范(Generic Attribute Profile,GATT)层,并根据协议栈提供的应用接口实现短距离的BLE无线通信。
1.2 MPU-6050 IMU
跌倒检测系统通过MPU-6050 IMU采集用户运动姿态数据,即三维加速度和三维角速度共6个DoF的数据,如图2所示。
MPU-6050工作模式的配置以及用户DoF数据的获取均需要对其内部寄存器进行读或写操作,而上述的读或写操作均是
nRF51822片上系统通过与MPU-6050之间的I2C数据通信接口实现的。
MPU-6050是InvenSense公司推出的一款6轴整合型运动处理芯片,其内部集成了一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。
MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别采用了3个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量,传感器的测量范围都
是用户可控的。MPU-6050与外部设备的通信通过400 kHz的I2C数字接口,另外它还包括一个可编程的中断系统,配合实现
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