老年人跌倒检测报警装置的研究与设计文档格式.docx

1、Qin Yuyang（Computer Science and Technology）Thesis Supervisor: Professor Teng GuokuMay 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

2、用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究本学 位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的 规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文 全文数据库（中国学术期刊（光盘版）电子杂志社）、中国学位论文全文数据库 （中国科学技术信息研究所）等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供 信息服务。保密的论文在

3、解密后遵守此规定。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 ”）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

4、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

5、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 ; GPSOneABSTRACTAs the population aging and the raises of li

6、fe expectancy,the old peoples health and safety problems become current societys 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 hos

7、pital;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 pa

8、per 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

9、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 require

10、ments 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 pa

11、per, 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；第1章概述 11.1论文的选题背景 11.2国内外的研究现状 21.

12、3论文研究的意义 41. 4论文研究的内容及结构 51.4.1研究的主要内容 51.4.2论文的结构 5第2章跌倒检测算法 72.1跌倒检测技术的理论基础 72.2对现有跌倒检测技术的分析与研究 72.2.1基于模式识别的跌倒探测技术 82.2.2基于阀值检测的跌倒探测技术 92.3人体体态实时数据的采集方法 102.3.1人体体态数据采集的工具介绍 112.3.2人体体态数据采集过程 122.4人体体态数据的分析 132.4.1老年人日常行为体态数据的分析 142.4.2人体跌倒体态数据的分析 172.5基于ADXL345的跌倒检测算法 192.5.1失重阶段的检测 192.5.2剧烈撞击阶

13、段的检测 202.5.3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 243.1老年人跌倒检测报警装置的功能概述及设计目标 243.2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 274.1老年人跌倒检测报警装置硬件设计框架 274.2MCU模块相关电路设计 274.2.1MCU的选型与简介 274.2.2MSP430F149的外围电路设计 294.3加速度传感器模块相关电路设计 304.3.1加速度传感器的选型与简介 304.3.2ADXL345 与 MSP430F149 的电路连接设计 324.4 CDMA模块的接口电路设计 334

14、.4.1GPSOne 技术简介 334.4.2CDMA模块的器件选材及简介 344.4.3DTGS-800外围电路设计 354.4.4UIM卡模块电路设计 384.5电源模块电路设计 384.5.1系统的供电模块设计 394.5.2USB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 435.1老年人跌倒检测报警装置软件设计概述 435.2开发环境搭建 445.3加速度传感器的驱动程序设计 445.4看门狗功能与低功耗模式的实现 465.5跌倒检测算法的软件实现 485.5.1ADXL345中断阀值的设定方法 495.5.2系统中断服务程序的设计 .、.55.5.3定时器模块的应用与

15、程序设计 515.5.4碰撞剧烈程度检测的程序设计 535.6无线定位与通信模块程序设计 545.6.1AT命令简介 545.6.2DTGS-800串口通信程序设计 555.6.3无线定位程序设计 565.6.4短消息收发程序设计 58第6章总结与展望 596.1全文总结 596.2 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

16、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。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.

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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 Down1.3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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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