解析基于惯性传感技术的跌倒报警器？

　　随着社会老年化的加重，老人独居现象越来越普遍。不论对于家人，还是对于社会来说，老人健康都是一个急需解决的问题。老人由于身体各个部分的功能都在退化，因而很容易发生跌倒，而跌倒的发生将会对老人的身心造成无法估量的伤害。所以对老人的跌倒进行检测，研究跌倒报警器具有重要的现实意义。

　　基于上述原因，本文设计了一种可穿戴于腰部的跌倒报警器，跌倒检测装置内部有加速度计、陀螺仪和磁力计等惯性传感元件，可以实现对老人跌倒的检测，让发生跌倒的老人可以及时得到医疗救援，降低跌倒对老人造成的伤害。

　　跌倒报警器研究现状

　　跌倒报警器装置是以无线对讲系统作为基础条件研发的新型装置，但就目前跌倒报警器设计情况来说，设计者忽视了老人掌握现代化产品熟练程度。老人由于操作能力与视力逐渐下降，应用现代化设备难度较高。同时，老人在跌倒之后由于身心都受到不同程度惊吓，无法正确操作跌倒报警器。

　　随着科学技术水平显著提升，惯性传感技术的应用领域也越来越广泛，尤其是近年来在跌倒检测领域的应用，大大的降低了跌倒报警器的研发成本。惯性传感技术在跌倒检测应用中主要承担两方面工作，一方面是对老人日常行为进行实时监测，另一方面是利用相关姿态解算算法分析判断跌倒行为的发生。

　　工作原理

　　老人由于身体机能的衰退，容易失去平衡而发生跌倒。在老人身体跌倒的那一瞬间，老人的身体产生了向下的重力加速度，身体各个部位的加速度也会发生不同程度的变化。为了能够方便对人体跌倒时各种变量的描述，必须建立空间坐标系。

　　假设，以人体作为原点，将人体前后方向看成X轴，左右方向看成Y轴，人上下方向看成Z轴。人在实际运动过程中，所产生的加速度是由于人体运动姿态瞬间发生变化而产生的。在老人跌倒的过程中，惯性传感元件将会检测到加速度值和身体倾斜角值，通过分析加速度和角度的变化情况可以判断出人体发生跌倒。

　　惯性传感技术主要作用就是通过对老人生活行为进行实时监测，分析判断出跌倒行为的发生。图1是跌倒报警器系统的原理图，MPU6050六轴传感器模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，通过I2C接口连接STM32，根据传感器不同的地址信息分别读取MPU6050的角速度值和加速度值，然后利用四元数算法和姿态控制算法分析老人身体姿态和运动状态。

　　硬件设计

　　跌倒报警器由五部分构成：单片机、通信模块、检测单元、发射模块、家庭电话。中心数据处理模块主要由两部分构成，分别为单片机与通信模块。通过完成对传感器信号的整合处理操作，实现跌倒判断。

　　单片机最小系统

　　在对单片系统硬件电路设计上，主要由四部分构成，分别为时钟电路、电源电路、复位电路与BDM接口。不同子系统所具有的功能分别为：

　　1.时钟电路在应用中，可以为单片机提供晶振;

　　2.电源电路所提供的电源电压为5 V，可以为单片机运行提供稳定电压保证;

　　3.复位电路在系统电压恢复到正常情况下，向单片机发出复位信号;

　　4.BDM接口可以为用户提供专门接口，进而实现下载与调试等操作。

　　无线通信模块

　　通信模块电路主要承担数据信息发送与接收任务，同时还可以与读卡器、连接器相连接。通信模块电路所产生的数据在单片机操作指令作用之下，可以实现数据信息双向传输，读取PDU与Text格式信息。本文应用的无线通信模块芯片型号为PSoC27443，进而实现跌倒报警器无线通信功能。无线通信模块电路设计如图3所示。无线通信模块采取编程排列方式，一旦其中一个元器件出现破损情况，可以随时对其进行更替。

　　陀螺仪和加速度计

　　陀螺仪通常被用来检测物体旋转的角速度值。本文在设计跌倒报警器度过程中一共运用了两个陀螺仪，分别用来检测老人前后站立角度与侧向站立角度。加速度计被用来检测物体由地球引力作用所产生的加速度值。

　　本文选用了MPU6050惯性传感器，该型号的传感器具有体积相对较小、质量轻等优点。图4为加速度计与陀螺仪两者结构结合示意图，为了能够排除老人假摔，降低了对老人跌倒的误判，传感器内的卡尔曼系数采取可调节形式。

　　软件设计

　　主要程序

　　跌倒报警器系统软件部分一共由三部分构成，分别为传感模块、控制模块与报警模块。首先，跌倒报警器需要初始化设置，初始化设置完毕之后，再检测是否有发送短消息，如果有，则根据跌倒报警器的指示执行相应的操作;如果没有，则检测传感信号，若有传感信号，则根据指示做进一步的处理;如果没有，则检测是否有传感器信号，若有，则根据信号进行相应地操作;如果没有，则返回初始状态，进行下一次检测，如此循环往复。主程序流程如图5所示。

　　短信息编码解析

　　目前，短消息模式主要有Text模式和协议数据单元PDU(protocol data unit)模式。使用Text模式收发短信代码简单，实现起来比较容易，但缺点是不能收发中文短信; 而PDU模式不仅支持英文短信，也能发送中文短信。PDU模式收发短信可以使用3种编码方式：

　　7 bit编码用于发送普通的ASCII字符;

　　8 bit 编码通常用于发送数据消息;

　　UCS2编码用于发送16位Unicode字符。

　　为了支持中文短信的收发，本系统采用PDU编码模式。最终设计的基于惯性传感技术的跌倒报警器如图6和图7所示。