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首页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。
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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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