基于足底压力分析异常行走检测的系统及方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及运动检测技术领域，具体是指一种基于足底压力分析异常行走检测的系统及方法。

背景技术：

现今老年人在行走过程中出现摔倒的频率增加，怎样检测在正常行走过程中的人体重心变化成为了研究的热点。目前提出的所有运动系统检测(跌倒检测)方案，大致可以分为三类：基于视频摄像头的检测、基于声学信号的检测、基于可穿戴传感器(加速度计、陀螺仪等)的检测。

基于视频摄像头的检测，即对象的实施运动由摄像头检测。但第一，由于用户的日常生活被摄像头记录，这种方法无法保证用户的隐私安全。第二，由于家具或照明等一些其他外部条件的影响，使这种方法存在视场盲区，其检测范围也受到一定的限制。

基于声学信号的检测，即根据跌倒冲击地面导致震动的频率值来判断人体是否跌倒。虽然可以克服基于视频摄像头检测所带来的无法确保用户隐私的问题，但是却限制了用户的活动范围。并且对声学信号的检测，其安装复杂，同时受环境因素非常大，当材质等发生变化时，误差也就产生，且投入较大。

基于可穿戴传感器的检测，一般是将加速度传感器数据采集模块佩戴在腰间，当加速度达到跌倒阀值时，便判断为跌倒。但穿戴式设备检测信号因素单一，不能够确切地分析跌倒数据，从而造成误判或者漏判。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于足底压力分析异常行走检测的系统及方法，目的在于克服现有技术中跌倒检测系统的误判率或漏判率高的缺陷，提高运动检测的精度，降低成本。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

该基于足底压力分析异常行走检测的系统，所述系统包括：

足底压力检测子系统，包括数个力敏传感器、第一单片机和第一无线通信模块，所述力敏传感器和第一无线通信模块均与所述第一单片机相连接，所述第一单片机用以采集所述力敏传感器的压力检测数据，所述力敏传感器设置于足底；

行走状态判断子系统，包括第二单片机和第二无线通信模块，所述第二单片机与所述第二无线通信模块相连接，所述第二单片机用以根据所述第一单片机采集的压力检测数据判断人体当前状态是否满足预设站立状态条件和预设行走状态条件，所述第二无线通信模块与所述第一无线通信模块进行通信。

较佳地，所述力敏传感器分别设置于左脚的前部和后部以及右脚的前部和后部。

更佳地，所述力敏传感器还设置于左脚的中部和右脚的中部。

更佳地，所述力敏传感器分别设置于左脚和右脚的足底大脚趾区域、第2～4跖骨区域、中足区域、后足区域。

较佳地，所述足底压力检测子系统还包括第一电源模块和模数转换模块，所述第一电源模块和模数转换模块均与所述第一单片机相连接；所述行走状态判断子系统还包括第二电源模块，所述第二电源模块与所述第二单片机相连接。

较佳地，所述系统还包括显示端，所述显示端与所述第二单片机进行通信。

本发明还涉及一种通过所述的系统基于足底压力分析异常行走检测的方法，其主要特点是，所述方法包括如下步骤：

(1)所述第一单片机采集所述力敏传感器的压力检测数据；

(2)所述第一单片机通过所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块将压力检测结果发送至所述第二单片机；

(3)所述第二单片机根据所述第一单片机采集的压力检测数据判断人体当前状态是否满足预设站立状态条件和预设行走状态条件，如果是，在系统预设间隔时间后，继续步骤(1)，否则继续步骤(4)；

(4)所述第二单片机判断人体行走状态异常。

较佳地，所述力敏传感器分别设置于左脚的前部和后部以及右脚的前部和后部，人体当前状态满足预设站立状态条件时，左脚的前部和后部以及右脚的前部和后部的力敏传感器的压力输出值均大于系统预设阈值。

更佳地，所述预设行走状态条件包括：

第一人体行走状态：左脚离开地面，右脚站立；

第二人体行走状态：左脚的后足接触地面，右脚的后足离开地面；

第三人体行走状态：左脚站立，右脚离开地面；

第四人体行走状态：左脚后足离开地面，右脚后足接触地面。

更进一步地，第一人体行走状态下，左脚的力敏传感器的压力输出值均小于系统预设阈值，且右脚的前足和后足的力敏传感器的压力输出值均大于系统预设阈值；

第二人体行走状态下，右脚的前足和左脚的后足的力敏传感器的压力输出值大于系统预设阈值，且右脚的后足和左脚的前足的力敏传感器的压力输出值小于系统预设阈值；

第三人体行走状态下，右脚的力敏传感器的压力输出值均小于系统预设阈值，左脚的前足的力敏传感器的压力输出值小于系统预设阈值，且左脚的后足的力敏传感器的压力输出值大于系统预设阈值；

第四人体行走状态下，左脚的前足和右脚的后足的力敏传感器的压力输出值大于系统预设阈值，且右脚的前足和左脚的后足的力敏传感器的压力输出值小于系统预设阈值。

采用了该发明中的基于足底压力分析异常行走检测的系统及方法，具有如下有益效果：

(1)对于运动检测过程中异常行走检测的误判率较低，能够有效地判断出人体的状态；

(2)通过力敏传感器的合理布局，使得采集的压力值能够合理的反映出人体的重心状态；在正确地掌握了人体的重心分布之后，降低误判率的同时，保护了用户的隐私，并实现了低功耗、低成本配置。

附图说明

图1为本发明的基于足底压力分析异常行走检测的系统的结构示意图；

图2为人体行走时的原理图；

图3为本发明的力敏传感器的分区示意图；

图4为本发明的力敏传感器的原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的技术构思是：本发明采用了足底压力分析技术，首先由被测试者穿好测试鞋，由足底的第一单片机来搜集足底的压力数据，再通过无线通信模块将数据传输至腰部第二单片机。位于腰部的第二单片机将搜集来自于足底的压力数据值并作比较，分析出人体的状态，从而判断人体是否跌倒。当判断人体跌倒时便可通过腰部的蜂鸣器提示人体行走异常。

参照图1，为本发明的一种基于足底压力分析异常行走检测的系统的结构示意图，主要包括两大部分：足底压力检测部分包括在鞋垫内安装力敏传感器模块1，模数转换单元2、第一单片机3、第一无线通信模块4、第一电源模块5，其中，第一电源模块5、模数转换单元2和第一无线通信模块4分别和第一单片机3相连。行走状态判断部分包括置于腰部的第二无线通信模块7，其用来接收来自于足底的数据，再将数据传送至第二单片机6。第二单片机6处理来自于腰部的足底的数据，并判断人体是否跌倒，人体的状态将会反映在显示端10。其中，第二电源模块8为第二单片机6供电。

所述第一单片机选用cc2530，是用于2.4-ghzieee802.15.4、zigbee和rf4ce应用的一个真正的片上系统(soc)解决方案。其具有8路输入和可配置分辨率的12位adc，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。cc2530结合了领先的rf收发器的优良性能，业界标准的增强型8051cpu，系统内可编程闪存，8-kbram和许多其它强大的功能。cc2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

所述第二单片机同样选用cc2530，这里与第一单片机型号选择相同，用来编写、执行异常行走判断算法。

所述第一无线通信模块与第二无线通信模块已经被cc2530所包括，两个单片机之间能够进行通信。

所述显示端选用lcd1602进行显示，显示端将显示出人体的运动状态。

参照图2，为人体行走时的原理图，人体在正常行走的过程为：首先由正常站立转为行走，然后一只脚抬离地面，另一只脚保持站立。这里以左脚离地、右脚站立为例说明。当左脚离地且右脚站立之后，紧接着，左脚后足接触地面，右脚后足离开地面。然后，左脚保持站立，右脚离开地面，下一个动作便是右脚后足接触地面，左脚后足离开地面。由此进入循环模式，直到人体停止行走。

参照图3，示出了本发明的力敏传感器足底分区：本异常行走检测系统在左右脚分别放置六个传感器，共计12个传感器。由于需要获得来自于足底的有效数据，需要将足底的各部分信号获取并分析出人体的重心。根据图3，将传感器分布于人体大脚趾、第2～4跖骨、中足区域以及后足区域，通过这些区域来判断出人体的重心，并作为跌倒判断指标之一。

压力传感器的选型：本系统采用的传感器需要有穿着舒适、体积小、精度高等特点。根据这些特点，综合考虑足底压力测量的多个因素，最终选择了flexiforcesensor力敏传感器作为测量元件。

如图4所示，flexiforcesensor提供三个输出引脚。引脚连接图如图所示。当来自于外界的压力作用在flexiforcesensor力敏传感器的感应区时，flexiforcesensor的阻值会发生变化。且随着外界作用力的增大，flexiforcesensor的阻值会减少。通过外接电路的分压原理将压力值转换为电压值进行测量。图4中各个电压和电阻值满足如下公式：

vout＝-vt*(rf/rs)；

其中vt优选为-1v，比较器优选为mcp6004功率放大器，vdd为5v。

从图3中，可知左脚放置有l1～l6，6个传感器；右脚放置有r1～r6，6个传感器。

flexiforcesensor是tekscan公司生产的一款重量轻、体积小、感测精度高，超薄型电阻式压力传感器。这款压力传感器是将施加在传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。压力越大，电阻则越低。

足底先由力敏传感器在足底各个分区采集数据，再经模数转换与第一单片机数据分析，最后由第一无线通信模块将数据包发送出去。其中由第一电源模块为各部分供电。

电源模块的选型：电源模块采用3.7v锂电池(可充电)。电源模块可以给第一单片机以及第二单片机供电，并完成相应的功能。

足底与终端之间的通信：当力敏传感器将数据通过第一无线通信模块将数据发送出去后，由终端的第二无线通信模块接收，再输给第二单片机，第二单片机同时汇总来自于足底(左脚、右脚)的信号，综合分析人体的状态，从而判断出人体是否跌倒。

其中，足底的算法来自于两脚之间的数据融合。当左右两脚所测数据传送至腰部的处理芯片之后，将会进行算法判断：左右两脚共计12个传感器(l1～l6和r1～r6)：设定阈值p，用来判断人体足底检测的压力值，当压力值大于p时，人体足底某区域则接触到地面，当检测到的压力值小于p时，则判断人体足底某区域脱离地面：

人体正常站立：左脚或者右脚的前足(ff)区域(l2、l3、r2、r3)以及两脚后足(fb)区域(l5、l6、r5、r6)检测到的压力值达到阈值p，即人体脚部前脚掌以及后脚掌都有压力值存在。

(ff>p)&fb>p

人体行走状态1(左脚抬离地面，右脚站立)：右脚符合站立状态(也即是右脚的前足和后足均有压力值存在(fr-b、fr-f))，与此同时，左脚(fl)的压力值未达到阈值p：

fl<p||(fr-b>p&fr-f>p)

人体行走状态2(左脚后足接触地面，右脚后足离开地面)：右脚前足(fr-f)有压力值存在且超过阈值p，左脚后足(fl-b)压力值超过阈值p：

(fr-f>p&fr-b<p)&(fl-b>p&fl-f<p)

人体行走状态3(左脚站立，右脚离地)：左脚符合站立状态(也即是左脚的前足和后足均有压力值存在(fl-b、fl-f))，与此同时，右脚(fr)的压力值未达到阈值p：

fr<p||(fl-b>p&fl-f>p)

人体行走状态4(右脚后足接触地面，左脚后足离开地面)：左脚前足(fl-f)有压力值存在且超过阈值p，右脚后足(fl-b)压力值达到阈值p：

(fl-f>p&fl-b<p)&(fr-f<p&fr-b>p)

其余情况则视为异常行走状态。

本发明的力敏传感器的布局主要基于人体重心的判断来计算人体的行走状态。力敏传感器置于足底，分为4个区域：足底大脚趾区域、第2～4跖骨区域、中足区域、后足区域。通过相应区域来获取人体足底的信息，从而分析出重心来判断人体的运动状态。

本发明实施例中，所述力敏传感器模块flexiforcesensor与cc2530(第一单片机、第一无线通信模块、模数转换模块)连接，所述cc2530(第二单片机、第二无线通信模块)与第一电源连接。所述第二单片机与第二无线通信模块连接，所述第二单片机与第二电源模块相连，所示显示端与第二单片机相连。

首先，将被保护者穿好含有模块1(力敏传感器)、模块2(模数转换模块)、模块3(第一单片机)、模块4(第一无线通信模块)、模块5(第一电源模块)的压力检测鞋，此时第一电源模块为标签各部分进行供电，第一电源模块采用3.7v锂电池。同时利用分压、放大的方法将力敏传感器flexiforcesensor中的电阻值转换为电压值。这样，当打开第一电源模块时，便可以使足底各部分正常工作。进一步，终端的模块主要由第二单片机cc2530控制，第二单片机cc2530将结合来自于足底的数据来判断人体的运动状态。这样，打开第二电源模块之后，腰部各个模块进入正常工作模式。这时，被测试者开始行走后，通过位于左右两脚共12个力敏传感器flexiforcesensor采集左右两脚(即大脚趾、第2～4跖骨、中足与足跟)数据，并通过其输出将所测得的数据传输给cc2530进行模数转换。经模数转换后的数字信号将传送给cc2530中的mcu进行数据处理，再将处理后的数据打包传送至cc2530的无线通信模块，再由第二无线通信模块接收，并传输至第二单片机。这个过程所涉及到第二单片机的信息处理，依据为：

设定阈值p，用来判断人体足底检测的压力值，当压力值大于p时，人体足底某区域则接触到地面，当检测到的压力值小于p时，则判断人体足底某区域脱离地面：

人体正常站立：左脚或者右脚的前足(ff)区域(l2、l3、r2、r3)以及两脚后足(fb)区域(l5、l6、r5、r6)检测到的压力值达到阈值p，即人体脚部前脚掌以及后脚掌都有压力值存在。

(ff>p)&fb>p

人体行走状态1(左脚抬离地面，右脚站立)：右脚符合站立状态(也即是右脚的前足和后足均有压力值存在(fr-b、fr-f))，与此同时，左脚(fl)的压力值未达到阈值p：

fl<p||(fr-b>p&fr-f>p)

人体行走状态2(左脚后足接触地面，右脚后足离开地面)：右脚前足(fr-f)有压力值存在且超过阈值p，左脚后足(fl-b)压力值超过阈值p：

(fr-f>p&fr-b<p)&(fl-b>p&fl-f<p)

人体行走状态3(左脚站立，右脚离地)：左脚符合站立状态(也即是左脚的前足和后足均有压力值存在(fl-b、fl-f))，与此同时，右脚(fr)的压力值未达到阈值p：

fr<p||(fl-b>p&fl-f>p)

人体行走状态4(右脚后足接触地面，左脚后足离开地面)：左脚前足(fl-f)有压力值存在且超过阈值p，右脚后足(fl-b)压力值达到阈值p：

(fl-f>p&fl-b<p)&(fr-f<p&fr-b>p)

式中，fl-f为人体的左脚前足区域的压力值，fr-f为人体的右脚前足区域的压力值，fb为人体两脚后足区域的压力值(统称)，ff为人体两脚前足区域的压力值(统称)，fl-b为人体的左脚后足区域的压力值，fr-b为人体的右脚后足区域的压力值。

第二单片机cc2530将实时地检测人体的运动状态，并通过显示端口lcd1602显示人体运动状态。

采用了该发明中的基于足底压力分析异常行走检测的系统及方法，具有如下有益效果：

(1)对于运动检测过程中异常行走检测的误判率较低，能够有效地判断出人体的状态；

(2)通过力敏传感器的合理布局，使得采集的压力值能够合理的反映出人体的重心状态；在正确地掌握了人体的重心分布之后，降低误判率的同时，保护了用户的隐私，并实现了低功耗、低成本配置。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。