基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统及方法，该系统包括：若干移动标签节点：佩戴在终端用户身上，用以检测终端用户是否发生摔倒，若检测到发生摔倒，移动标签节发生定位信息和摔倒报警信息至路由器节点；多个路由器节点：分别与移动标签节点和协调器节点连接，用以将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至协调器节点；协调器节点：分别与各路由器节点机远程监护平台通信连接，用以发起ZigBee网络、设定参数、并将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至远程监护平台；远程监护平台：用以接收摔倒报警信息和定位信息，并根据定位信息计算出发生摔倒的位置。本发明具有体积小、便于携带、实时检测、准确定位的优点。
【专利说明】基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种人体摔倒检测定位系统，具体地,涉及一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统及方法。
【背景技术】
[0002]21世纪被称为“银发世纪”，中国人口的老龄化越来越严重，并且老年人口中家庭空巢化的趋势也越来越明显，从而导致许多老人的健康保障存在问题。对于作为监护人的独生子女父母这一代，既要抚养和教育子女，又要赡养和照顾四位老人，这无疑是非常沉重的负担。现阶段国家和社会还无法建立设施先进、项目齐全的社会福利服务体系，对于独居老人或者养老院的老人在无人照料的情况下跌倒时无法得到及时的救助，容易产生严重的后果。
[0003]实际上很多严重的后果并不是由跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及时的处理和救护，导致患者心理负担加重，合并饥饿和寒冷等外界因素最终共同造成的。在逐渐走向高龄化的今天，老年人所占的比率也逐渐增加，老年人的行动安全已成为社会的重要问题。
[0004]基于上述背景，目前已经有一些能够监测到老人摔倒自动报警的装置，但是由于成本和技术上还存在一定的问题，因此很难得到推广。例如，申请号为200720125141.1的专利介绍了一种跌倒自动报警器，但其短信报警机制增加了成本，而且缺少位置信息，使得不能发起及时、准确的救助。201120067733.9的专利设计了一种带有跌倒报警装置的老人手机，将跌倒报警装置与手机功能集中整合在一起，但产品的实用性较差而且报警信息中也没有包含老人跌倒的位置信息。201220526872.8的专利采用了 Android手机作为报警终端，利用蓝牙技术进行无线通信，利用GPS进行定位，但是Android手机成本高；同时，蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，在稍复杂的空间环境下，蓝牙系统的稳定性较差，受噪声信号干扰大；且GPS定位技术在室内环境中受各物体的影响，信号衰减很快，其定位进度仅可达到5米到30米左右，不能够较好的满足定位的要求。
[0005]综上所述，现有人体摔倒检测定位装置存在无法定位，不能给出摔倒位置信息，影响救助的及时性、准确性的技术问题。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统。
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，包括:若干移动标签节点、多个路由器节点、协调器节点和远程监护平台，其中，
[0008]移动标签节点佩戴在终端用户身上，用以检测终端用户是否发生摔倒，若检测到终端用户发生摔倒，移动标签节点收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息连同摔倒报警信息一同发送至最近的路由器节点；
[0009]各路由器节点设置在使用环境中的固定位置，分别与移动标签节点和协调器节点连接，用以将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至协调器节点；
[0010]协调器节点分别与各路由器节点机远程监护平台通信连接，用以发起ZigBee网络、设定参数、并将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至远程监护平台；
[0011]远程监护平台与协调器节点通信连接，用以接收摔倒报警信息和定位信息，并根据定位信息计算出发生摔倒的移动标签节点在环境中的具体位置，确定摔倒位置。
[0012]优选地，移动标签节点进一步包括:微处理器、加速度传感器模块、射频收发模块、手动报警模块和电源模块，
[0013]加速度传感器模块与微处理器连接，用以按照设定频率实时采集加速度数据，并将采集到的加速度数据发送至微处理器；
[0014]手动报警模块与微处理器连接，用以在终端用户遇到特殊情况或感到不适时接收用户输入的报警指令以实施手动报警；
[0015]微处理器分别与加速度传感器模块、手动报警模块以及射频收发模块连接，用以对接收到的加速度数据进行分析处理，判断终端用户是否发生摔倒，若检测到发生摔倒，或接收到手动报警信息，则通过射频收发模块收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息，并通过射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息；
[0016]射频收发模块分别与微处理器以及路由器节点连接，用以将微处理器发出的定位信息和报警信息发送至路由器节点，并接收来自路由器节点的信息发送至微处理器；
[0017]电源模块分别与微处理器和射频收发模块连接，用以提供电力。
[0018]优选地，加速度传感器模块为三轴加速度传感器，微处理器为增强型8051微处理器。
[0019]优选地，微处理器集成在射频收发模块内部。
[0020]优选地，协调器节点和远程监护平台通过RS232接口连接。
[0021]优选地，远程监护平台根据接收到的三个RSSI值和三个路由器的ID，再结合这三个路由器节点的坐标信息利用三边定位算法计算出标签节点在环境中的具体位置，具体地，三边定位算法为:在一个二维平面坐标中，利用三个以及三个以上已知点与未知点之间的距离来计算未知点的二维坐标，设三个坐标节点到未知节点的半径分别为Rl，R2和R3，则这三个半径的交点就是未知节点的位置坐标，根据三个参考坐标节点的位置和半径定位位置节点的坐标；半径根据未知节点与参考节点之前的RSSI值计算得出。
[0022]根据本发明的另一个方面，提供一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位方法，包括以下步骤:
[0023]步骤1:将协调器节点通过RS232接口与远程监护平台连接，将路由器节点固定安装在使用环境内，且为每个路由器分配唯一的ID，将移动标签节点佩戴在终端用户身上；
[0024]步骤2:协调器节点选择预设的通信信号和网络ID，组建ZigBee无线传感网络；
[0025]步骤3:移动标签节点的加速度传感器模块按照预定的频率实时采集加速度数据，微处理器对采集的加速度数据进行分析处理，判断人体是否发生摔倒，若检测到人体发生摔倒状态，通过射频收发模块收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息，并通过射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息；
[0026]步骤4:射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息经路由器节点发送至协调器节点，协调器再通过RS232接口将所得信息传输给远程监护平台，远程监护平台根据所得到的三个RSSI值和三个路由器的ID，结合这三个路由器节点的坐标信息利用三边定位算法计算出标签节点在环境中的具体位置，确定摔倒位置；
[0027]步骤5:终端用户在遇到特殊情况或感到不适时通过手动报警按键相远程监护平台求救，微处理器接收到手动报警信息后依照步骤3和步骤4的信息传递过程和计算处理获得求助位置。
[0028]根据本发明的另一个方面，提供一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位方法，包括以下步骤:步骤4中所述的三边定位算法具体为:
[0029]在一个二维平面坐标中，利用三个以及三个以上已知点与未知点之间的距离来计算未知点的二维坐标，设三个坐标节点到未知节点的半径分别为Rl，R2和R3，则这三个半径的交点就是未知节点的位置坐标，根据三个参考坐标节点的位置和半径定位位置节点的坐标；半径根据未知节点与参考节点之前的RSSI值计算得出。
[0030]ZigBee网络是一种高可靠的无线传感网络，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本、高安全的双向无线通讯技术，本发明将摔倒检测与ZigBee技术相结合，提出了一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:本发明采用加速度传感器模块检测终端用户是否发生摔倒，通过组建ZigBee网络，由远程监护平台对置身于ZigBee网络中终端用户进行准确定位，实时对终端用户的状态进行准确监测，不仅能够检测终端用户是否摔倒，还能准确定位摔倒位置，给出位置信息，便于及时、准确的实施救助，有效避免意外发生。与现有技术相比，本发明具有体积小、便于携带、实时检测且准确定位的优点，能够实时监测出老人是否出现意外状况并采取相应措施保证老人出现意外时得到及时救助，极大程度上保证了终端用户的人身安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0032]图1为本发明基于ZigBee技术的摔倒检测定位系统的结构原理图；
[0033]图2为本发明基于ZigBee技术的摔倒检测定位方法的三边定位算法原理示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0035]请参阅图1，一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，包括:若干移动标签节点、多个路由器节点、协调器节点和远程监护平台，其中，
[0036]移动标签节点佩戴在终端用户身上，用以检测终端用户是否发生摔倒，若检测到终端用户发生摔倒，移动标签节点收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息连同摔倒报警信息一同发送至最近的路由器节点；
[0037]各路由器节点设置在使用环境中的固定位置，分别与移动标签节点和协调器节点连接，用以将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至协调器节点；
[0038]协调器节点分别与各路由器节点机远程监护平台通信连接，用以发起ZigBee网络、设定参数、并将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至远程监护平台；
[0039]远程监护平台与协调器节点通信连接，用以接收摔倒报警信息和定位信息，并根据定位信息计算出发生摔倒的移动标签节点在环境中的具体位置，确定摔倒位置。
[0040]优选地，移动标签节点进一步包括:微处理器、加速度传感器模块、射频收发模块、手动报警模块和电源模块，
[0041]加速度传感器模块与微处理器连接，用以按照设定频率实时采集加速度数据，并将采集到的加速度数据发送至微处理器；
[0042]手动报警模块与微处理器连接，用以在终端用户遇到特殊情况或感到不适时接收用户输入的报警指令以实施手动报警；
[0043]微处理器分别与加速度传感器模块、手动报警模块以及射频收发模块连接，用以对接收到的加速度数据进行分析处理，判断终端用户是否发生摔倒，若检测到发生摔倒，或接收到手动报警信息，则通过射频收发模块收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息，并通过射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息；
[0044]射频收发模块分别与微处理器以及路由器节点连接，用以将微处理器发出的定位信息和报警信息发送至路由器节点，并接收来自路由器节点的信息发送至微处理器；
[0045]电源模块分别与微处理器和射频收发模块连接，用以提供电力。
[0046]进一步地，路由器节点含有射频收发器，通过与用户携带的标签进行信息交互，实现对用户的定位；协调器模块包括射频收发器，RS232接口模块，主要负责整个网络的发起、参数的设定、信息的管理维护以及与远程监护平台的信息传递，ZigBee网络组建和启动后，标签节点、路由器节点以及协调器节点会进行自组网。
[0047]进一步地，加速度传感器模块为三轴加速度传感器，具体为低功耗、高分辨率的数字三轴加速度传感器，所述电源为锂电池或干电池或纽扣电池。微处理器为增强型8051微处理器，且微处理器集成在射频收发模块内部。协调器节点和远程监护平台通过RS232接口连接。远程监护平台实时对用户状态进行监测，具体为PC机或笔记本电脑。
[0048]优选地，远程监护平台根据接收到的三个RSSI值和三个路由器的ID，再结合这三个路由器节点的坐标信息利用三边定位算法计算出标签节点在环境中的具体位置，具体地，三边定位算法为:在一个二维平面坐标中，利用三个以及三个以上已知点与未知点之间的距离来计算未知点的二维坐标，设三个坐标节点到未知节点的半径分别为Rl，R2和R3，则这三个半径的交点就是未知节点的位置坐标，根据三个参考坐标节点的位置和半径定位位置节点的坐标；半径根据未知节点与参考节点之前的RSSI值计算得出。
[0049]基于上述的系统，根据本发明的另一个方面，提供一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位方法，包括以下步骤:
[0050]步骤1:将协调器节点通过RS232接口与远程监护平台连接，将路由器节点固定安装在使用环境内，且为每个路由器分配唯一的ID，将移动标签节点佩戴在终端用户身上；
[0051]步骤2:协调器节点选择预设的通信信号和网络ID，组建ZigBee无线传感网络；
[0052]步骤3:移动标签节点的加速度传感器模块按照预定的频率实时采集加速度数据，微处理器对采集的加速度数据进行分析处理，判断人体是否发生摔倒，若检测到人体发生摔倒状态，通过射频收发模块收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息，并通过射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息；
[0053]根据失重、撞击、静止以及摔倒后与初始状态的差异性判断人体是否发生摔倒，具体地，微处理器判断在以下4个设定的时间段内，加速度分别满足对应的条件，则判断为摔倒:
[0054]1、发生摔倒时:正常情况下，人体的合加速度值应该大于lg，在发生摔倒时，人体会发生失重，加速度值小于Ig并接近于0，以此作为判断摔倒的第一个依据；
[0055]2、摔倒时:人体摔倒时会与地面或者其他物体发生撞击，将会产生较大的加速度值，最大值可达到1g以上，一般大于3g即可认为发生一次撞击，以此作为判断摔倒的第二个依据；
[0056]3:、跌倒后:人体在跌倒后，也就是撞击发生之后，不可能马上起来，会有短暂的静止状态(如果人因为跌倒而导致昏迷，甚至可能是较长时间的静止)。表现在加速度曲线上就是会有一段时间，一般设定为2秒钟的平稳。以此作为判断摔倒的第三个依据。
[0057]4、跌倒后发生翻转时:跌倒之后，人体会发生翻转，因此人体的方向会与原先静止站立的姿态(初始状态)不同。这使得跌倒之后的静止状态下的三轴加速度数值与初始状态下的三轴加速度值不同，以此作为最后一个判断依据。
[0058]这四个判断依据综合在一起，构成了整个的跌倒检测算法，可以对跌倒状态给出报警。
[0059]步骤4:射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息经路由器节点发送至协调器节点，协调器再通过RS232接口将所得信息传输给远程监护平台，远程监护平台根据所得到的三个RSSI值和三个路由器的ID，结合这三个路由器节点的坐标信息利用三边定位算法计算出标签节点在环境中的具体位置，确定摔倒位置；
[0060]步骤5:终端用户在遇到特殊情况或感到不适时通过手动报警按键相远程监护平台求救，微处理器接收到手动报警信息后依照步骤3和步骤4的信息传递过程和计算处理获得求助位置。
[0061]根据本发明的另一个方面，提供一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位方法，包括以下步骤:步骤4中所述的三边定位算法具体为:
[0062]在一个二维平面坐标中，利用三个以及三个以上已知点与未知点之间的距离来计算未知点的二维坐标，设三个坐标节点到未知节点的半径分别为Rl，R2和R3，则这三个半径的交点就是未知节点的位置坐标，根据三个参考坐标节点的位置和半径定位位置节点的坐标；半径根据未知节点与参考节点之前的RSSI值计算得出。
[0063]本发明采用加速度传感器模块检测终端用户是否发生摔倒，通过组建ZigBee网络，由远程监护平台对置身于ZigBee网络中终端用户进行准确定位，实时对终端用户的状态进行准确监测，不仅能够检测终端用户是否摔倒，还能准确定位摔倒位置，给出位置信息，便于及时、准确的实施救助，有效避免意外发生。与现有技术相比，本发明具有体积小、便于携带、实时检测且准确定位的优点，能够实时监测出老人是否出现意外状况并采取相应措施保证老人出现意外时得到及时救助，极大程度上保证了终端用户的人身安全。
[0064]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，其特征在于，包括:若干移动标签节点、多个路由器节点、协调器节点和远程监护平台，其中， 所述移动标签节点佩戴在终端用户身上，用以检测终端用户是否发生摔倒，若检测到终端用户发生摔倒，移动标签节点收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息连同摔倒报警信息一同发送至最近的路由器节点； 所述各路由器节点设置在使用环境中的固定位置，分别与所述移动标签节点和协调器节点连接，用以将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至协调器节点； 所述协调器节点分别与所述各路由器节点机远程监护平台通信连接，用以发起ZigBee网络、设定参数、并将接收到的摔倒报警信息和定位信息发送至远程监护平台； 所述远程监护平台与所述协调器节点通信连接，用以接收摔倒报警信息和定位信息，并根据定位信息计算出发生摔倒的移动标签节点在环境中的具体位置，确定摔倒位置。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，其特征在于，所述移动标签节点进一步包括:微处理器、加速度传感器模块、射频收发模块、手动报警模块和电源模块， 所述加速度传感器模块与所述微处理器连接，用以按照设定频率实时采集加速度数据，并将采集到的加速度数据发送至微处理器； 所述手动报警模块 与所述微处理器连接，用以在终端用户遇到特殊情况或感到不适时接收用户输入的报警指令以实施手动报警； 所述微处理器分别与所述加速度传感器模块、手动报警模块以及射频收发模块连接，用以对接收到的加速度数据进行分析处理，判断终端用户是否发生摔倒，若检测到发生摔倒、或接收到手动报警信息，则通过射频收发模块收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息，并通过射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息； 所述射频收发模块分别与所述微处理器以及路由器节点连接，用以将微处理器发出的定位信息和报警信息发送至路由器节点，并接收来自路由器节点的信息发送至微处理器；所述电源模块分别与所述微处理器和射频收发模块连接，用以提供电力。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，其特征在于，所述加速度传感器模块为三轴加速度传感器，所述微处理器为增强型8051微处理器。
4.根据权利要求3所述的基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，其特征在于，所述微处理器集成在所述射频收发模块内部。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，其特征在于，协调器节点和远程监护平台通过RS232接口连接。
6.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位系统，其特征在于，所述远程监护平台根据接收到的三个RSSI值和三个路由器的ID，再结合这三个路由器节点的坐标信息利用三边定位算法计算出标签节点在环境中的具体位置，具体地，所述三边定位算法为:在一个二维平面坐标中，利用三个以及三个以上已知点与未知点之间的距离来计算未知点的二维坐标，设三个坐标节点到未知节点的半径分别为Rl，R2和R3，则这三个半径的交点就是未知节点的位置坐标，根据三个参考坐标节点的位置和半径定位位置节点的坐标；半径根据未知节点与参考节点之前的RSSI值计算得出。
7.一种基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:将协调器节点通过RS232接口与远程监护平台连接，将路由器节点固定安装在使用环境内，且为每个路由器分配唯一的ID，将移动标签节点佩戴在终端用户身上； 步骤2:协调器节点选择预设的通信信号和网络ID，组建ZigBee无线传感网络； 步骤3:移动标签节点的加速度传感器模块按照预定的频率实时采集加速度数据，微处理器对采集的加速度数据进行分析处理，判断人体是否发生摔倒，若检测到人体发生摔倒状态，通过射频收发模块收集其与周围通信的路由器节点之间的RSSI值，并且对这些RSSI值进行排序，选择其中最大的三个值、以及三个最大值的路由器节点的ID作为定位信息，并通过射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息； 步骤4:射频收发模块发出定位信息和摔倒报警信息经路由器节点发送至协调器节点，协调器再通过RS232接口将所得信息传输给远程监护平台，远程监护平台根据所得到的三个RSSI值和三个路由器的ID，结合这三个路由器节点的坐标信息利用三边定位算法计算出标签节点在环境中的具体位置，确定摔倒位置； 步骤5:终端用户在遇到特殊情况或感到不适时通过手动报警按键相远程监护平台求救，微处理器接收到手动报警信息后依照步骤3和步骤4的信息传递过程和计算处理获得求助位置。
8.根据权利要求7所述的基于ZigBee技术的人体摔倒检测定位方法,其特征在于,步骤4中所述的三边定位算法具体为: 在一个二维平面坐标中，利用三个以及三个以上已知点与未知点之间的距离来计算未知点的二维坐标，设三个坐标节点到未知节点的半径分别为Rl，R2和R3，则这三个半径的交点就是未知节点的位置坐标，根据三个参考坐标节点的位置和半径定位位置节点的坐标；半径根据未知节点与参考节点之前的RSSI值计算得出。
【文档编号】G08B21/04GK104080053SQ201410339460
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】李龙, 高加伟, 王洪良, 康文, 张志斌, 罗泉 申请人:上海诺诚电气有限公司