一种便携式gsm&gps跌倒检测器的研究与设计的制作方法
【专利摘要】本发明结合ADXL345三轴加速度传感器、单片机和GPS&GSM等模块实现意外跌倒的检测和跌倒后位置信息的发送。本发明设计了完整的跌倒检测的算法，包括失重状态，与地面的撞击，撞击后的身体状态与之前的状态比较，静止等跌倒的四个状态。
【专利说明】
一种便携式GSM ?& GPS跌倒检测器的研究与设计
技术领域
[0001]本发明结合ADXL345，单片机和GPS&GSM模块来实现意外跌倒的检测和跌倒后位置信息的发送。本发明有两个主要功能:GSM(全球移动通信系统)和GPS(全球定位系统)。本发明属于检测控制和通信领域，具有低成本，低功耗和可携带的特点。它可以应用到电子工程和测绘领域。
【背景技术】
[0002]如今人类的寿命正变得越来越长，随着生活水平的提高和发展，老龄化的问题也变得越来越明显。对于年长的人，由于身体机能的退化，很多意外事故很难避免，比如意外跌倒。很多老人在跌倒后失去意识从而延误了急救的时机。这些悲剧的发生大多是因为老人跌倒后无法通知亲属，即使老人保持清醒，也很难说清跌倒的具体位置，以至于延误了急救。所以意外跌倒的检测和位置信息的发送对于救助意外跌倒都至关重要。
[0003]跌倒的检测和警报对于急救非常重要。随着三轴加速度传感器和GPS模块的发展，它们的体积已经变得便于携带，我们将这些模块组合以实现所需要的功能。本发明将设计算法处理三轴加速度传感器的输出，并用单片机AT89C52控制GSM&GPS模块来实现跌倒报警和位置信息发送，它能有效的减少意外带来的损失。
[0004]通信技术:
[0005]当发生跌倒时，能够及时的发出信息是非常重要的。所以输出装置不能受时间或空间的限制。正如我们所知，电磁波信号可以在自由空间传输。无线通信具有不使用有线传输来交换信息的优点。近年来，在通信领域，无线通信已经成为发展最迅速和应用最为广泛的通信技术。这项技术已经深入到我们的日常生活和工作的各个方面，包括移动电话(蜂窝移动通信)。
[0006]移动通信全球系统(GSM)是目前公众使用的最重要的数字移动广播标准。GSM已由欧洲电信标准协会(ETSI)标准化。GSM覆盖了主要功能和必要的数据传输实体，如协议体系结构和速率适配。GSM是一个成功的典范，众多迹象显示，用户希望在短期内数据能服务在移动网络端。对于GSM运营商，利用电路交换数据传输规定了无线资源管理的大型罚款。经营者必须使用分组交换的无线接口。分组交换允许在无线接口最优化使用数据通道。以及以体积计费而不是持续时间。GSM/GPRS和未来的UMTS运营商需要部署在业内可用的最先进和灵活的IP服务的架构，以便有足够的弹药来打一场激烈的战斗，赢得客户群，保持低流失通过提供高水平的客户满意度和服务的访问可预测性，并维持较高的利润率。
[0007]网络的结构分为多个不连续的部分，一个GSM网络的结构包括:
[0008]1.基站子系统-基站和控制器的说明。
[0009]2.网络和交换子系统-与固定网络最相似的一部分网络，只是有时被称为“核心网络”。
[0010]3.GPRS核心网-允许基于分组的网络连接可选部分。
[0011]4.运营支撑系统(OSS)-网络维护。
[0012]定位技术:
[0013]全球卫星定位系统(GPS)彻底改变了导航和定位。对于大多数舰艇和飞机，这是导航的主要手段。同时还被广泛应用于测量和许多其他领域。GPS系统，最初被称为NAVSTAR，是一个引导导弹，军舰和飞机对他们的目标军事导航系统。
[0014]目前，全球定位系统已全面投入使用，并符合成立于20世纪60年代的最佳定位系统的标准。该系统提供了精确的，连续的，世界范围的，三维的位置和速度信息，为用户提供合适的接收设备。GPS也以协调世界时(UTC)的形式传播。该卫星星座名义上由24颗卫星安排在6个轨道平面，每个平面4颗卫星。GPS可以为任意数量的用户提供服务因为用户接收器是被动的。
[0015]全球定位系统由三部分。空间部分目前共有28颗卫星，每一颗都在位于地球11000海里以上的轨道中。用户段包括接收器，你可以拿在手中，或安装在你的车。控制部分由分布在世界各地以确保卫星正常工作的地面站组成。
【发明内容】
[0016]本发明的关键点是建立ADXL345和AT89C52之间的通信和跌倒检测算法的实现，
[0017]1.通信协议
[0018]ADXL345是一个高灵敏度的大量程的三轴加速度传感器。我们将用ADXL345的三轴加速度输出来检测跌倒。
[0019]我们可以用SPI通信协议来建立ADXL345和AT89C52之间的通信，但是，SPI通信协议在主机和从机都缺少流控制和应答。主机不知道从机是否忙碌所以需要复杂的软件编程来实现主机与从机之间的应答。I2C通信协议虽然传输速率没有SPI快，但是存在完善的应答机制，它可以满足我们的设计要求所以选择了 I2C通信协议。
[0020]I2C只有两条总线线路，一条是串行数据线(SDA)，一条是串行时钟线(SCL)。SDA负责数据传输，SCL负责数据传输的时钟同步。I2C有7位或10位地址空间。常见的I2C总线的速度是标准模式100kbit/s和低速模式10kbit/s，但任意低时钟频率也是允许的。比特率被引用来处理主机和从机没有时钟线拉伸或其他硬件开销。协议开销包括从机地址，也许也有从设备中的寄存器地址中每一位的应答信号。
[0021 ] 2.基本算法思路
[0022]设计一个跌倒检测产品的第一步就是分析跌倒过程中的各个状态。一般来讲，当人意外跌倒时，一共经历4个步骤，如下:失重状态，与地面的撞击，撞击后的身体状态与之前的状态比较，静止。很多运动的加速度状态和跌倒有着很大不同。
[0023]但是，在平常的运动过程中，有许多相似的身体状态和上面的运动状态相同。比如跳跃，他们同样能产生失重和撞击。但是在跳跃之后，人体将恢复到跳跃之前的身体状态，可以区分这类运动。所以我们能比较撞击前后的三轴加速度运动状态来区分那些会恢复原来运动状态的活动和意外跌倒，比如跳跃，跑步等。
[0024]最难判断的是坐下之后保持静止。我们可以从失重的时间和三轴加速度和来区分它和意外跌倒。跌倒撞击的三轴加速度和远远大于坐下时产生的三轴加速度和。我们可以设立失重阀值来区分跌倒和其他运动之后可能产生静止的活动。我们的算法就是基于以上对身体活动的分析来建立的。
【具体实施方式】
[0025]实现跌倒检测的算法，首先需要建立三轴加速度传感器ADXL345和单片机STC89C52之间的通信。使用I2C通信协议从ADXL345向总线传输数据。它和数据的采集和传输有关。1.ADXL345和STC89c52之间的数据传输
[0026]在我们的发明中，我们只有一个主机STC89C52和一个从机ADXL345。开始信号
(S):当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示将要开始传输数据；结束信号(P):当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示结束传输数据；
[0027]响应信号(ACK):从机接收到8位数据后，在第9个周期，拉低SDA电平，表示已经收到数据。这个ACK信号称为应答信号。
[0028]主机STC89C52用数据线SDA来向从机ADXL345传输数据，用时钟线控制。具体过程如下:
[0029]1.当STC89C52检测到ADXL345空闲时，主机发送开始信号；
[0030]2.主机STC89C52向从机ADXL345发送8位数据。这8位数据的前7位表示从机地址，第8位表示数据的传输方向。这时，第8位为O，表示是主机向从机发送数据；
[0031]3.从机ADXL345发出响应信号ACK;
[0032]4.从机ADXL345传输一系列的字节和响应位；
[0033]5.主机STC89C52接受这些数据，并发出结束信号P，完成本次数据传输。
[0034]当ADXL345向总线发送一个字节时，它必须从最高字节开始单字节向总线传输数据。我们用dat << = I来将ADXL345输出的二进制数据左移，将最高位移入PSD寄存器CY位中然后将CY赋给SDA，进而在SCL的控制下发送出去。用FOR语句循环来发送数据。每传输一字节数据从ADXL345收一个应答ACK。
[0035]类似的，当STC89C52从总线读取一个数据，我们同样用dat <<= I来左移数据并存储在STC89C52的寄存器中。
[0036]2.主程序
[0037]控制算法
[0038]根据跌倒的过程，主要的变量是三轴加速度矢量和。
[0039]当人走路或者保持静止时，三轴加速度矢量和一般保持在一个g左右。但是，当人们跌倒并撞击地面时，三轴加速度矢量和会达到一个峰值，超过一个g。所以我们设立阀值来判断是否撞击了地面。但是很多剧烈的运动比如说跳跃后落地也将是三轴加速度矢量和大于一个g。当人们跌倒后，一般三轴加速度的状态不同于之前的走路或者静止当人们跳跃后，会回复到原来的运动状态。所以，我们会对撞击地面前和撞击地面后的三轴加速度状态来区分这两种情况。
[0040]当人们跌倒后，如果能够自己爬起来，跌倒检测的警报应该被解除。如果长时间没有移动或运动，这就说明这个人不能自己自救，此时这个仪器就应该通知亲属，报警可能发生了跌倒的状况。所以我们设立一定的时间阀值来检测他是否保持静止，如果保持静止，也许他摔倒后昏倒，就需要发送警报。
[0041]最初的想法是这样的。x，y，z的三周加速度数据存储在单片机STC89C52中，在对数据格式处理完后，我们可以的三轴的加速度值，每1000表示I个g。我们将阀值设立为1200就是1.2个g，这样就可以区分意外跌倒和走路，静止或者摇摆产生的三轴加速度矢量和从而区分这些运动。
[0042]如果三轴加速度的矢量和比阀值1.2g更小，当然该设备将不会发送报警。它会检测后200毫秒，仍然在状态I。如果3轴加速度的矢量和大于1.2g，它会进入到下一个检测步骤II。检测到撞击的3.5秒后，将3.5秒之前保存的3轴加速度矢量和数据的数据进行比较_。如果数据是一样的，它说明了也许这个人只是跳跃但恢复到普通运动，报警状态将会被清除。如果数据是与3.5秒前的不同，它说明了人还没有恢复到运动以前的状态，也许他是摔倒后晕倒了。在第二种情况下，将进入状态III。在这种状态下，跌倒检测和身体的状态与3.5秒以前不同的是，状态III将进入到状态IV，如果人们可以起身和移动，报警应该被解除，如果他不能移动了，并且持续了很长的时间，这说明也许他可能跌倒并无法自助需要别人的帮助帮助。该设备应发送警报消息，并发送位置信息提供给亲友。我设置保持静止的时间阀值是10秒。
[0043]然而，有一些情况下仍然会导致错误的判断。如剧烈坐下并之后保持静止。所以我们添加了一个失重的判断。坐下和意外跌倒一段失重，但坐下的失重远小于意外跌倒，因为坐下是由肌肉控制，不会造成大的失重。我们设定的阈值0.7g区分坐着和倒下。
[0044]另外还有一个问题。保持静止的时间阀值检测是10秒。也许无意识的运动可以在静止状态下的解除报警。实际上意外跌倒的人仍然在昏迷。因此，我们需要增加容错率。解决办法是取10秒前和10秒后的三周加速度并除以100，取整数。这个解决方案可以排除倒下后无意识运动的干扰。
[0045]最后，我们的算法的概要过程如下:初始化后，设备开始检测失重，它是状态I。如果该装置的三轴加速度小于0.7g，则程序进入到状态II。如果在200毫秒时，该设备检测到撞击的三轴加速度的矢量和大于1.2G，这意味着产生了碰撞，则进入状态III。在状态III，设备将撞击前状态和3.5秒之前后的状态进行比较。如果状态是不同的，它会进入到状态IV。在状态IV，如果身体仍保持相对静止的的，该设备将进入状态V和发送警报和意外跌倒的位置。
[0046]3.GPS 和 GSM 模块
[0047]该模块是一个成品模块，功能是这个模块有一个按钮并设定了手机号码，如果按了按钮就可以拨打电话给特定的手机。有这个模块的另一个功能，我们可以将消息发送给它，它会反馈该模块的位置。它完全符合我们的要求。我们对它进行了改造。我们通过单片机用光耦控制。如果设备检测到跌倒就会拨打电话。如果老人不能回答，相关亲属就可以将消息发送到该模块，模块将反馈跌倒的位置信息。如果老人能回答，自己可以告诉亲属所处的位置，或告告诉亲属这是一个是误报。
【主权项】
1.本发明结合ADXL345三轴加速度传感器、单片机和GPS&GSM等模块实现意外跌倒的检测。2.跌倒的信息通过GPS&GSM等模块及时发送到预留的手机用户上。3.该发明中跌倒检测的算法包括失重状态，与地面的撞击，撞击后的身体状态与之前的状态比较，静止等四个状态。4.跌倒检测的信息通过12C总线的方式进行传送。
【文档编号】G08B21/04GK105894730SQ201410841648
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月26日
【发明人】陆婷
【申请人】陆婷