一种基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统和方法与流程

本发明涉及一种基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统和方法，属于可穿戴设备技术领域。

背景技术：

20世纪90年代以来，中国的老年化进程加快，老年人的健康监护已成为社会的重要问题。针对老年人易跌倒的问题，除了尽可能地做好防范措施外，当老年人跌倒发生时，最重要的就是在第一时间通知家属及医院，使老年人能够得到及时的救助，以降低伤害。

近年来随着电子信息技术的飞速发展，电子信息技术已在面向老年人健康监护领域得到广泛应用。跌倒救助系统采用加速度传感器采集老年人运动原始数据，由微控制器对数据进行处理分析，识别老年人的正常姿态及跌倒状态。老年人处于跌倒状态后，跌倒救助系统向周边环境发出语音求救信号，并将老年人的地理位置信息发送到其亲属手机上。

传统的跌倒救助系统能够在老年人跌倒后进行有效的检测和报警，将老年人跌倒的地理信息位置发送到其亲属手机上。但当老年人处于室内、隧道、地下室等有遮蔽场所时，GPS处于盲区，定位功能失效。老年人在定位盲区跌倒后，跌倒救助系统不能发出老年人跌倒的精确地理位置信息，给亲属及医院的搜救带来了极大的困难。而本发明能够很好地解决上面的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统，该系统实时检测老年人运动姿态并在跌倒状态下实现无定位盲区报警求助，减轻了社会和子女的压力，同时也能够减轻老年人心理负担，不会再因为害怕跌倒而减少外出活动，提高了老年人晚年的生活品质。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统，该系统包括加速度传感器模块1、STM32微控制器模块2、按键开关模块3、蜂鸣器模块4、GPS空间定位模块5、GSM无线通信模块6、锂电池供电模块7。该系统通过加速度传感器模块1采集老年人运动的三轴加速度及三轴角速度数据。加速度传感器模块1内部的DMP模块对原始数据进行滤波、融合处理，通过I2C接口向STM32微控制器模块2输出姿态解算后的姿态数据。STM32微控制器模块2接收到姿态数据后，运用跌倒检测算法识别跌倒事件，进一步确认跌倒后，由STM32微控制器模块2利用GPS空间定位模块5提供的位置和速度信息为初始参数、加速度传感器输出的方向和速度信息进行航位推算，获取老年人跌倒的空间地理位置信息，有效的解决了GPS盲区内无法定位问题，GSM无线通信模块6将老年人跌倒的地理位置信息发送到老年人亲属手机上，发出求助信息。

加速度传感器模块：MPU6050内部DMP(Digital Motion Processer)将原始的数据进行校正处理后，输出三轴加速度和三轴角度。同时，在GPS进入盲区后，利用MPU6050输出的方向和速度信息进行航位推算，进行精确定位。

STM32微控制器模块：采用STM32F429微控制器，该微控制器具有高性能、低功耗的特点。STM32F429微控制器主要完成跌倒检测算法处理、判定是否报警、对GPS数据和航位推算数据进行融合、确定报警后将空间定位信息发送到老年人亲属手机上。

按键开关模块：配置可选择的报警机制，老年人可根据自身的身体情况选择是否报警。

蜂鸣器模块：及时向周围环境发出报警求救信号，同时提醒老年人是否触发报警机制。

GPS空间定位模块：提供老年人地理位置的空间信息，为SMT32F429进行航位推算提供初始位置。

GSM无线通信模块：不影响老年人正常出行及活动的情况下，老年人发生跌倒意外时，将老年人跌倒地点的空间地理位置信息及时发送到其亲属手机上。

锂电池供电模块：为跌倒救助系统提供电能，使跌倒救助系统能够持续正常工作。

本发明系统嵌入在老年人腰带龙头扣上，通过加速度传感器的测量值，利用相应的算法分析出老年人的身体姿态，当出现跌倒状态时，能够触发STM32微控制器进行预跌倒处理。考虑到老年人跌倒不严重可自行处理和跌倒装置误判的情况，在触发STM32微控制器预跌倒处理后，该跌倒救助系统先向周围环境发出语音求救信号，老年人可根据自身身体状况选择是否进行报警，当老年人无法控制自己行为时，跌倒救助系统自动实施报警。实施报警后，跌倒救助系统将老年人跌倒的空间定位信息发送到事先设置的亲属手机上，保证能够及时获得有效的救助。

本发明还提供了一种基于加速度传感器的老年人跌倒检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：老年人首次使用跌倒救助系统，选择所处的年龄段，设置跌倒判断的加速度阈值T_SVM。

步骤2：加速度传感器采集老年人运动原始数据，内部DMP模块对原始数据处理后，将姿态数据发送给STM32F429微控制器。

步骤3：STM32F429微控制器计算合加速度(a_x为人体在X轴方向的加速度，a_y为人体在Y轴方向的加速度，a_z为人体在Z轴方向的加速度)，并将SVM与T_SVM比较，大于T_SVM时，判定为疑似跌倒。

步骤4：在疑似跌倒后延时3秒，进入二次阈值判断，判断老年人角度是否在阈值范围内。满足在范围内，要求能够保持3s。

步骤5：若上述两个条件都能够满足，则判定为跌倒状态，蜂鸣器向周边环境发出语音求救信息。

步骤6：老年人可根据自身情况决定是否通过按键取消报警信号，30s内老年人没有取消报警信号，确认老年人此时跌倒且需要及时的救助。

步骤7：STM32F429微控制器将GPS定位信息和加速度传感器方向和速度信息融合定位。

步骤8：GSM模块将融合的地理位置信息通过无线网络发送到老年人亲属手机上，发出远程求救信号。

有益效果：

1.本发明系统能够实现无定位盲区，实时检测老年人的行为状态，在老年人跌倒后及时将地理位置信息发送出去，向外界求助。主控制器STM32F429是利用GPS提供的位置和速度信息为初始参数、加速度传感器输出的方向和速度信息进行航位推算。

2、本发明系统不仅可以减轻社会和子女的压力，同时也能够减轻老年人心理负担，不会再因为害怕跌倒而减少外出活动，提高了老年人晚年的生活品质，减少了社会和子女的负担，在老年人跌倒后，子女能够及时收到老年人跌倒的空间地点信息，在第一时间给予老年人救助。

3、本发明系统针对不同老年人设置不同的阈值，跌倒识别准确率高。

4、本发明能够在不影响老年人日常活动前提下，实时检测老年人是否跌倒并及时报警，使老年人在跌倒后得到及时的救助。

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

标识说明：加速度传感器模块-1、STM32F429微控制器模块-2、按键开关模块-3、蜂鸣器模块-4、GPS空间定位模块-5、GSM无线通信模块-6、锂电池供电模块-7。

图2为本发明基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统的场景示意图。

图3为本发明基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统的人体三维空间姿态。

图4为本发明的跌倒检测方法流程图。

图5为本发明基于GPS定位信息和加速度传感器方向和速度信息融合的定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供了一种基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统，该系统包括加速度传感器模块1、STM32微控制器模块2、按键开关模块3、蜂鸣器模块4、GPS空间定位模块5、GSM无线通信模块6、锂电池供电模块7。该系统通过加速度传感器模块1采集老年人运动的三轴加速度及三轴角速度数据。加速度传感器模块1内部的DMP模块对原始数据进行滤波、融合处理，通过I2C接口向STM32微控制器模块2输出姿态解算后的姿态数据。STM32微控制器模块2接收到姿态数据后，运用跌倒检测算法识别跌倒事件，进一步确认跌倒后，由STM32微控制器模块2利用GPS空间定位模块5提供的位置和速度信息为初始参数、加速度传感器输出的方向和速度信息进行航位推算，获取老年人跌倒的空间地理位置信息，有效的解决了GPS盲区内无法定位问题，GSM无线通信模块6将老年人跌倒的地理位置信息发送到老年人亲属手机上，发出求助信息。

加速度传感器模块：MPU6050内部DMP(Digital Motion Processer)将原始的数据进行校正处理后，输出三轴加速度和三轴角度。同时，在GPS进入盲区后，利用MPU6050输出的方向和速度信息进行航位推算，进行精确定位。

STM32微控制器模块：采用STM32F429微控制器，该微控制器具有高性能、低功耗的特点。STM32F429微控制器主要完成跌倒检测算法处理、判定是否报警、对GPS数据和航位推算数据进行融合、确定报警后将空间定位信息发送到老年人亲属手机上。

按键开关模块：配置可选择的报警机制，老年人可根据自身的身体情况选择是否报警。

蜂鸣器模块：及时向周围环境发出报警求救信号，同时提醒老年人是否触发报警机制。

GPS空间定位模块：提供老年人地理位置的空间信息，为SMT32F429进行航位推算提供初始位置。

GSM无线通信模块：不影响老年人正常出行及活动的情况下，老年人发生跌倒意外时，将老年人跌倒地点的空间地理位置信息及时发送到其亲属手机上。

锂电池供电模块：为跌倒救助系统提供电能，使跌倒救助系统能够持续正常工作。

本发明系统安装于老年人腰带龙头上的跌倒救助系统通过加速度传感器采集老年人运动的三轴加速度及三轴角速度数据，利用MPU6050芯片内部的DMP模块(Digital Motion Processor数字运动处理器)，可对传感器数据进行滤波、融合处理，通过I2C接口向STM32F429微控制器输出姿态解算后的姿态数据。STM32F429接收到姿态数据后，运用跌倒检测算法识别跌倒事件，进一步确认跌倒后，由定位算法计算出老年人跌倒的地理位置信息，GSM无线通信模块将地理位置信息发送到老年人亲属手机上，发出求助信息。

如图2所示，基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统的场景示意图，本发明通过加速度传感器的测量值，利用相应的算法分析出老年人的身体姿态，当出现跌倒状态时，能够触发STM32微控制器进行预跌倒处理。考虑到老年人跌倒不严重可自行处理和跌倒装置误判的情况，在触发STM32微控制器预跌倒处理后，该跌倒救助系统先向周围环境发出语音求救信号，老年人可根据自身身体状况选择是否进行报警，当老年人无法控制自己行为时，跌倒救助系统自动实施报警。实施报警后，跌倒救助系统将老年人跌倒的空间定位信息发送到事先设置的亲属手机上，保证能够及时获得有效的救助。

如图3所示，人体的三维空间姿态，向右为X轴，向上为Z轴，垂直与纸面向外为Y轴。

如图4所示，基于加速度传感器的老年人跌倒救助系统的跌倒检测方法的具体流程为：

(1)老年人首次使用跌倒救助系统，选择所处的年龄段，设置跌倒判断的加速度阈值T_SVM。

(2)加速度传感器采集老年人运动原始数据，内部DMP模块对原始数据处理后，将姿态数据发送给STM32F429微控制器。

(3)STM32F429微控制器计算合加速度(a_x为人体在X轴方向的加速度，a_y为人体在Y轴方向的加速度，a_z为人体在Z轴方向的加速度)，并将SVM与T_SVM比较，大于T_SVM时，判定为疑似跌倒。

(4)在疑似跌倒后延时3秒，进入二次阈值判断，判断老年人角度是否在阈值范围内。满足在范围内，要求能够保持3s。

(5)若上述两个条件都能够满足，则判定为跌倒状态，蜂鸣器向周边环境发出语音求救信息。

(6)老年人可根据自身情况决定是否通过按键取消报警信号，30s内老年人没有取消报警信号，确认老年人此时跌倒且需要及时的救助。

(7)STM32F429微控制器将GPS定位信息和加速度传感器方向和速度信息融合定位。

(8)GSM模块将融合的地理位置信息通过无线网络发送到老年人亲属手机上，发出远程求救信号。

如图5所示，本发明提供了一种基于GPS定位信息和加速度传感器方向和速度信息融合的定位方法，该方法包括如下步骤：

(1)STM32F429接收GPS和加速度传感器的数据信息，从GPS原始数据中按照协议格式提取出老年人运动的航向、速度、位置等信息，加速度传感器原始数据经内部DMP处理后，输出老年人运动的三轴加速度和三轴角度。

(2)通过GPS信号强度判断GPS信号是否有效。

(3)若GPS信号有效，STM32F429对GPS信息和航位推算数据进行卡尔曼滤波，确定老年人的空间地理位置信息。

(4)若GPS信息无效，STM32F429将GPS失效前一时刻的位置作为初始参数，进入位置推算子程序，利用加速度传感器输出的加速度和航位信息推算出每一采样时刻老年人的空间地理信息位置，解决GPS盲区内无法定位问题。

本发明定位算法最终算出老年人的空间地理位置信息，GSM将老年人跌倒的空间地理位置信息通过无线网络发送的其亲属手机上。