摘  要： 為解決當(dāng)今人口老齡化社會(huì)所帶來的老人跌倒事件頻發(fā)，以及為防止老人、兒童、智障者走失，研發(fā)了一種基于九軸慣性傳感器的跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)和三軸陀螺儀集成的九軸慣性傳感器檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和角速度數(shù)據(jù)，以MSP430F2418PM作為系統(tǒng)控制器，利用GSM/GPRS模塊SIM908進(jìn)行地理信息采集和短信/電話通信，并將報(bào)警等信息發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、地點(diǎn)獲取老人跌倒的相關(guān)信息，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警、定位和跌倒事件的處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，跌倒檢測(cè)終端達(dá)到將跌倒行為與正常行為區(qū)分開，準(zhǔn)確率達(dá)98%，同時(shí)能準(zhǔn)確地定位跌倒發(fā)生的位置，并通過手機(jī)短信發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，具有廣闊的實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞： 九軸慣性傳感；跌倒；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；GPS；GPRS

　　隨著我國老齡化社會(huì)的到來，65歲及以上老年人已達(dá)1.5億，按30％的發(fā)生率估算每年將有4 000多萬老年人至少發(fā)生1次跌倒,如果跌倒的老年人不能得到及時(shí)的救援，傷殘和死亡的比率會(huì)大大增加，據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，跌倒成為了威脅老年人生命安全和增加社會(huì)負(fù)擔(dān)的第一因素。因此在不影響老年人正常生活的情況下，研發(fā)一種可以檢測(cè)老年人行為并能及時(shí)將信息反饋的智能化跌倒檢測(cè)裝置具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)外的相關(guān)人體跌倒識(shí)別方法種類較多，根據(jù)其研究中獲取信息的來源和類型不同，主要可分為以下三種：

　　(1)基于視頻和模式識(shí)別的方法。通過攝像裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的人體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)人體在非正常位置臥倒過長時(shí)間，判斷為跌倒。有部分研究者利用圖像中的人體部位異常動(dòng)作來判斷是否跌倒，如ROUGIE C通過計(jì)算頭部移動(dòng)速率等參量跟蹤頭部軌跡檢測(cè)跌倒[1]。

　　(2)基于振動(dòng)分析的方法。當(dāng)?shù)拱l(fā)生時(shí)，振動(dòng)傳感器會(huì)探測(cè)到相應(yīng)振動(dòng)的波形，通過分析對(duì)比波形可檢測(cè)出人體跌倒行為。

　　(3)基于慣性傳感器的可穿戴式人體跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此類裝置可以自動(dòng)檢測(cè)人體摔倒行為并利用無線通信裝置報(bào)警。

　　前兩種方法都受到空間上的限制，只能檢測(cè)特定區(qū)域內(nèi)的跌倒，而且視頻監(jiān)測(cè)可能會(huì)因隱私問題而使用戶產(chǎn)生排斥心理。第三種方法與前兩種方法相比有很大的優(yōu)勢(shì)，更實(shí)用，有更廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外有很多此類研究裝置及方法，但很多都采用單一的三軸角速度傳感器或者結(jié)合壓力傳感器輔助檢測(cè)。如BIANCHI F等介紹了一種使用壓力傳感器和加速度傳感器檢測(cè)人體跌倒的方法，系統(tǒng)把一個(gè)三軸加速度計(jì)和壓力傳感器置于腰間，通過判斷加速度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)識(shí)別跌倒[2]；在國內(nèi)，孫新香等人介紹過一種基于加速度傳感器的跌倒探測(cè)器[3]；陳煒、佟麗娜等設(shè)計(jì)了一種基于慣性傳感器件的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)[4]。結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本文將九軸慣性傳感器作為跌倒檢測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位報(bào)警等功能。

　　基于九軸慣性傳感器的跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境下監(jiān)測(cè)并獲取跌倒警報(bào)信息，通過GPS與GSM集成的模塊端口將采集到的地理信號(hào)和報(bào)警信號(hào)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。平臺(tái)查詢事件人基本信息通過短信通知監(jiān)護(hù)人，以達(dá)到及時(shí)救治的目的。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)架

　　跌倒監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)主要是穿戴式的跌倒檢測(cè)終端、手機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)三者間進(jìn)行通信的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　跌倒檢測(cè)終端主要負(fù)責(zé)對(duì)人體加速度、角速度和姿態(tài)角的數(shù)據(jù)采集，并具有地理信息采集和遠(yuǎn)程通信等功能。當(dāng)檢測(cè)到佩戴者發(fā)生跌倒時(shí)，終端會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)將跌倒報(bào)警信號(hào)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端和手機(jī)客戶端，以便通知監(jiān)護(hù)人提供及時(shí)的救治。終端還具有主動(dòng)/取消報(bào)警、電量監(jiān)測(cè)和低電量提示等功能。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)由手機(jī)和監(jiān)控服務(wù)器組成。手機(jī)主要用于及時(shí)接收短信或電話報(bào)警，并將接收的地理信息在手機(jī)地圖中顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器運(yùn)行于PC端，基于MFC開發(fā)，主要功能是事件處理和用戶管理，用于醫(yī)院及社區(qū)對(duì)跌倒事件進(jìn)行更有效的處理，以及對(duì)跌倒檢測(cè)終端進(jìn)行更有效的管理。跌倒事件發(fā)生時(shí)，由終端向PC監(jiān)護(hù)平臺(tái)發(fā)送一條跌倒事件，PC監(jiān)護(hù)平臺(tái)接收到事件后以彈出對(duì)話框和聲音警告的方式提示操作人員有緊急情況發(fā)生。

　　通信網(wǎng)絡(luò)由GPRS組成。GPRS 網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)將報(bào)警信息以短信或電話的方式通知監(jiān)護(hù)人。

　　2 跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分主要是跌倒檢測(cè)終端，該終端由電源單元、跌倒檢測(cè)、微處理器、GPS/GSM 、聲光報(bào)警、“清除/求助”按鈕組成。各模塊在MSP430F2418單片機(jī)的控制下相互配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，系統(tǒng)硬件連接原理框圖如圖2所示。跌倒檢測(cè)模塊采用 ADXL345 三軸加速度傳感器、三軸磁力計(jì)MAG3110和三軸陀螺儀集成的九軸慣性傳感器,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體角速度和加速度參數(shù)。三軸陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，可與ADXL345形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，而加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器能夠更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，當(dāng)GPS在室內(nèi)無法搜索到足夠衛(wèi)星信號(hào)時(shí)使用。

　　衛(wèi)星定位模塊采用西門子公司的 SIM908，該模塊集成了GPS+GSM+GPRS功能，通過AT指令完成與核心處理器配置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人跌倒時(shí)所處位置的經(jīng)緯度，跌倒事件發(fā)生后將地理位置信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)同時(shí)接收用戶監(jiān)護(hù)人的查詢請(qǐng)求。

　　2.2 跌倒檢測(cè)算法

　　基于運(yùn)動(dòng)的跌倒檢測(cè)算法主要依據(jù)傳感器輸出的加速度和角速度信號(hào)。加速度信號(hào)表征了人體的移動(dòng)快慢及方向等信息，是穿戴式跌倒檢測(cè)的主要特征信號(hào)量。角速度信號(hào)表征人體姿態(tài)信息。由于傳感器采集到的是3個(gè)正交方向的加速度和角速度信號(hào)，而單一方向的信號(hào)難以表征整體的運(yùn)動(dòng)，因此取其和的平方根：

　　其中，Acc_x、Acc_y、Acc_z分別表示3個(gè)正交方向的加速度信號(hào)，Gyr_x、Gyr_y、Gyr_z是三軸陀螺儀正交角速度信號(hào)。人體倒地后，從剛接觸地面到相對(duì)靜止于地面，此過程為“沖擊過程”。在這個(gè)過程中，人體的加速度從最大突變到接近重力加速度，在波形上形成一個(gè)向上的尖峰，通過對(duì)此尖峰進(jìn)行檢測(cè)從而判定跌倒的發(fā)生。人體在執(zhí)行日常行為(ADL)動(dòng)作時(shí)，都沒有“失重過程”和“沖擊過程”。通過檢測(cè)加速度和角速度的尖峰，即可判斷跌倒事件的發(fā)生，確認(rèn)跌倒事件發(fā)生后啟用GPS定位和GSM通信，將報(bào)警信號(hào)和地理位置信號(hào)通過短信方式發(fā)送到服務(wù)端和手機(jī)端。圖3所示為判斷跌倒發(fā)生的軟件流程圖。

　　首先單片機(jī)要進(jìn)行串口通信模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘及I/O端口的初始化,對(duì)各個(gè)控制寄存器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。讀取九軸慣性傳感器采集運(yùn)動(dòng)信息(即加速度和角速度的值)，當(dāng)合加速度和合角速度超出閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警器，開始報(bào)警音提示以及LED閃爍，提示時(shí)間持續(xù)20 s，在無人觸動(dòng)求助/解除按鈕的情況下，通過GSM或GPRS發(fā)出報(bào)警短信到監(jiān)護(hù)平臺(tái)和指定監(jiān)護(hù)人員手機(jī)。當(dāng)緊急情況主動(dòng)報(bào)警，通過觸動(dòng)求助/解除按鈕，持續(xù)20 s，在無人觸動(dòng)求助/解除按鈕的情況下，啟動(dòng)GPS定位和GPRS通信將跌倒信號(hào)以短信方式發(fā)送到監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)護(hù)人的手機(jī)。

　　3 基于MFC構(gòu)架遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)基于Visual Studio  2010開發(fā)環(huán)境，利用 MFC構(gòu)架開發(fā)，為操作人員提供系統(tǒng)錄入，事件發(fā)生以彈出對(duì)話框和聲音警告的方式提示操作人員有緊急情況發(fā)生。系統(tǒng)人員查看事件相關(guān)信息，包括跌倒事件發(fā)生人員、跌倒時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、跌倒事件的可信程度和預(yù)處理方案等。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控老年人的健康狀況、記錄監(jiān)護(hù)人信息、接受并處理跌倒事件，而且還有健康信息推送、天氣預(yù)報(bào)、短新聞、故事笑話、周邊社區(qū)生活信息播報(bào)等功能。該監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)跌倒事件信息做出實(shí)施救助的方案，并立即展開救助活動(dòng)，最大程度地對(duì)需要救助的人員實(shí)施最快的救助。

　　3.1 ADO接口訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫

　　Window系統(tǒng)上常見的數(shù)據(jù)庫接口包括：ODBC(開放數(shù)據(jù)庫互連)、DAO（數(shù)據(jù)訪問對(duì)象）、OLE DB（對(duì)象連接嵌入數(shù)據(jù)庫）、ADO（ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象）。在各種訪問數(shù)據(jù)庫技術(shù)中，ADO是最新的訪問技術(shù)，建立在OLE DB之上，屬于高層的數(shù)據(jù)庫。ADO支持任何的OLE DB服務(wù)器，并提供更多的編程語言。ADO提供自動(dòng)化接口，還支持COM的數(shù)據(jù)擴(kuò)展類型。故本文采用ADO組件訪問SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。

　　在使用ADO對(duì)象之前必須先初始化COM環(huán)境。ADO庫包含3個(gè)基本接口:ConnectionPtr接口、CommandPtr接口、RecordsetPtr接口。 ConnectionPtr創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)連接或執(zhí)行一條不返回任何結(jié)果的SQL語句。CommandPtr接口返回一個(gè)記錄集，提供了一種簡單的方法來執(zhí)行返回記錄集的存儲(chǔ)過程和SQL語句。RecordsetPtr是一個(gè)記錄集對(duì)象，與前兩種對(duì)象相比，它對(duì)記錄集提供了更多的控制功能，如記錄鎖定、游標(biāo)控制等。

　　首先要建立Connection連接，接口通過Connection對(duì)象中的Execute方法建立對(duì)象的指針_bstr_t，strConnect設(shè)置連接字符串，利用Connection對(duì)象Open方法建立數(shù)據(jù)庫連接。Recordset 對(duì)象由記錄和列（字段）組成，用于容納數(shù)據(jù)庫表的記錄集。使用Recordset函數(shù)創(chuàng)建記錄集對(duì)象，使用記錄集對(duì)象中的Open方法取得表中的記錄。ExecuteSQL函數(shù)直接執(zhí)行SQL語句獲取表中的數(shù)據(jù)。m_pConnection檢查是否已經(jīng)連接數(shù)據(jù)庫，利用Connection對(duì)象的Execute方法查詢語句。CommandText是命令字串，通常是SQL命令。使用ExitConnect()函數(shù)即可完成數(shù)據(jù)集的關(guān)閉、斷開數(shù)據(jù)庫連接、釋放環(huán)境等功能。

　　3.2 Socket網(wǎng)絡(luò)通信

　　本文采用Windows Socket API函數(shù)編寫Windows Socket網(wǎng)絡(luò)通信程序 。當(dāng)?shù)箞?bào)警信息發(fā)生時(shí)，基于MFC構(gòu)架跌倒監(jiān)控平臺(tái)按照Windows的消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制把消息發(fā)送給相應(yīng)的套接字對(duì)象，并調(diào)用作為該對(duì)象成員函數(shù)的事件處理——函數(shù)套接字類的通知函數(shù)(notification functions)。如果調(diào)用成功或者發(fā)生了WSAEWOULDBLOCK錯(cuò)誤，當(dāng)調(diào)用結(jié)束返回時(shí)，都會(huì)發(fā)生FD_CONNECT事件，MFC框架會(huì)自動(dòng)調(diào)用客戶端套接字的OnConnect()事件處理函數(shù)，并將錯(cuò)誤代碼作為參數(shù)傳送給它。服務(wù)器接受跌倒監(jiān)測(cè)終端的連接請(qǐng)求，使用CAsyncSocket流式套接字對(duì)象。

　　4 測(cè)試與結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)及跌倒算法的有效性, 動(dòng)作主要分為兩類:日常行為ADL和跌倒行為FALL。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四類實(shí)驗(yàn)：正常行走或站立；跑步；行走跑步變化；向前、向后、側(cè)向跌倒。在跌倒實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將該系統(tǒng)束在腰部，執(zhí)行設(shè)定好的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)合加速度與合角速度的閾值分別設(shè)置為20 m/s2和2 rad/s時(shí)，測(cè)得一組各個(gè)行為的合加速度和合角速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示，跌倒檢測(cè)均能準(zhǔn)確識(shí)別并進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警(無漏報(bào)警)。

　　進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，該跌倒檢測(cè)原型系統(tǒng)能正確地區(qū)分絕大多數(shù)的跌倒事件，可識(shí)別出無跌倒事件發(fā)生，無警報(bào)發(fā)出，基本達(dá)到了預(yù)期效果。

　　由于該實(shí)驗(yàn)中跌倒事件是由學(xué)生模擬測(cè)試來完成的，不能完全模擬老人跌倒行為,在實(shí)際應(yīng)用中可能需要根據(jù)不同人的個(gè)體差異進(jìn)行調(diào)整參數(shù),以適應(yīng)不同個(gè)體、不同年齡段的用戶需要。

　　本文介紹的系統(tǒng)集成度高、體積小、智能化、可靠性強(qiáng)，利用Internet 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)位置信息等信號(hào)的傳輸以及診斷信息反饋，具有不受患者活動(dòng)狀態(tài)、活動(dòng)地點(diǎn)和活動(dòng)時(shí)間的限制，老年人之間能夠及時(shí)溝通等優(yōu)點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸、回放和人體狀態(tài)的快速分析診斷以及醫(yī)患之間的信息交互，最大限度地減少由跌倒造成的傷殘甚至死亡，具有十分重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] WOON S B，DONG M K，F(xiàn)AISAL B，et al.Real life appli-cation fall detection system based on wireless body area network[C].the 10th IEEE CCNC-eHealth，2013：62-67.

　　[2] BIANCHI F，REDMOND S J，NARAYANAN M R，et al.Barometric pressure and triaxial accelerometry-based falls event detection[C].IEEE Transactions on Neural Systems andRehabilitation Engineering，2010，18(6)：619-627.

　　[3] 孫新香.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

　　[4] 陳煒，佟麗娜，宋全軍，等.基于慣性傳感器件的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(8)：117-125.