卫生间意外检测报警设备及意外检测报警方法与流程

本发明涉及老人看护救助系统技术领域，具体指一种卫生间跌倒或晕厥检测报警设备及意外检测报警方法。

背景技术：

根据统计，跌倒是我国意外伤害死亡的第四位原因，而在65岁以上的老年人中则为首位。大于65岁的老人中约每年可能发生的跌倒或晕厥的机率约为15～40％。跌倒或晕厥除了直接导致老年人死亡外，还导致大量残疾，影响老年人的身心健康。室内活动场所中卫生间是老人意外产生的高风险地，跌倒或晕厥时有发生，而家人或看护人员不能及时发现。而目前常规的报警设备如按键或报警面板，一般只能由老人按下才能被动报警，不能主动发现异常报警。视频监控可以主动发现意外，但涉及到隐私多不适用于卫生间环境。因此大量家庭中的卫生间需要一个检测到跌倒或晕厥发生及时发现的主动报警设备。

技术实现要素：

本发明针对卫生间等跌倒或晕厥常有发生的场所提供专用的跌倒或晕厥检测报警设备及意外检测报警方法，并且可以根据照度条件提供照明灯具的自动开关控制。

本发明提供一种卫生间跌倒检测报警设备，包括卫生间跌倒检测报警器、开关和照明灯具，卫生间跌倒检测报警器的电源输入端连接开关，卫生间跌倒检测报警器的电源输出端连接照明灯具；

所述卫生间跌倒检测报警器包括中央处理器、环境感知传感器、状态指示模块、通讯接口，中央处理器分别连接环境感知传感器、状态指示模块和通讯接口；

所述环境感知传感器包括存在传感器、测高传感器和照度传感器；所述存在传感器为红外热感应温差电堆阵列，安装在卫生间上方，将卫生间分割成若干个格点区域。

而且，所述红外热感应温差电堆阵列内含一个8×8网格式布局热电堆元件，将卫生间分割成64个格点区域。

而且，所述测高传感器为超声波传感器阵列，包括若干组探头。

而且，所述照度传感器为光敏电阻。

而且，所述状态指示模块包括语音单元和继电器输出，继电器输出连接电源输出接口。

而且，卫生间跌倒检测报警器中设置有电源模块。

本发明相应提供根据上述卫生间跌倒检测报警设备实现的意外检测报警方法，判断人体发生跌倒或晕厥时进行报警，判断的实现基于以下条件，

a)根据存在传感器检测到人体在有效检测面积中所占格点区域有变化过程；

b)根据存在传感器检测到人体在有效检测面积中所占格点区域变化，并且变化后格点区域与原格点区域是连续的；

c)根据存在传感器检测到人体在有效检测面积中所占格点区域变化之后，变化后格点区域保持静止达到相应的预设时长S1；

d)根据测高传感器检测到人体的高度变化大于B×人体高度且达到相应的预设时长S2，B为预设的百分比阈值；

e)根据存在传感器检测到人体在卫生间大于预设时长S3没有活动。

而且，根据存在传感器检测人体的运动方向，当检测到有人体进入卫生间时，根据照度传感器检测环境照度值决定是否接通继电器输出，打开照明灯具；当人体离开卫生间时，卫生间跌倒检测报警器将延时后关灯。

而且，卫生间跌倒检测报警器每次上电是进行初始化，初始化时检测卫生间内物件的高度。

而且，所述超声波陈列包括4组探头，分别设置在卫生间的四边，4组探头按空间上的前后左右分时顺序工作。

本发明将解决以下问题：

1.判断进入卫生间老人是否摔倒。

2.判断进入卫生间老人是否长时时间没有动——晕厥。

3.当老人需要进入卫生间时，可以根据照度条件自动开灯照明。

本发明采用以上技术方案，可以解决卫生间等不方便携带，有隐私要求特定场所的老人意外发生及时发现的需求。本发明针对卫生间老人跌倒或晕厥的意外提供一个非接触式的自动检测主动报警设备，采集和分析人体运动姿态，判断老人是否发生跌倒或晕厥。相对于报警面板或视频看护，本发明具有使用方便，检测可靠，保护个人隐私等特点，具有较高的实用性，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的卫生间意外检测报警设备构成和联接图。

图2为本发明实施例的卫生间跌倒检测报警器系统组成结构图。

图3为本发明实施例的卫生间跌倒检测报警器逻辑流程图。

图4为本发明实施例的卫生间跌倒检测报警器工作流程图。

图5为本发明实施例的人体运动方向识别示意图。

图6为本发明实施例的卫生间跌倒检测报警器功能示意图。

图7为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明实施例所采用的卫生间意外检测报警设备由220VAC开关面板、卫生间跌倒检测报警器和照明灯具三部分构成，如图1：

卫生间跌倒检测报警器的电源输入端接在经过开关面板后220VAC电源，卫生间跌倒检测报警器的电源输出端接照明灯具。其中220VAC开关面板和照明灯具为普通家用类型，具体实施时根据实际情况设置，例如某些国家规定采用110V供电，或者利用室内已有设备即可。卫生间跌倒检测报警器从220VAC电源输入端中取得电源能量，同时将220VAC电源通过内部的状态指示模块继电器接口接在电源输出接口上。卫生间跌倒检测报警器检测到有老人准备进入卫生间时，将检测环境照度值决定是否接通继电器输出220VAC开灯补充照明。当老人离开卫生间时，卫生间跌倒检测报警器将延时10S后关灯。这样就不需要老人在黑暗中摸索开灯和黑暗中行走了。

参见图2，实施例的卫生间跌倒检测报警器主要由五部分组成：环境感知传感器、中央处理器Cortex-M0、状态指示模块、通讯接口和电源模块。环境感知传感器包括存在传感器、测高传感器和照度传感器三个模块。中央处理器Cortex-M0是逻辑控制中心，状态指示模块包括继电器输出和语音单元二部分。输出接口包括RS485接口和RF接口，分别是卫生间跌倒检测报警器有线和无线通讯接口。环境感知传感器中的存在传感器与中央处理器Cortex-M0通过TTL电平的RS232接口相联；测高传感器与中央处理器Cortex-M0通过GPIO口联接；照度传感器与中央处理器Cortex-M0之间采用具有AD采集功能的IO口联接。状态指示模块中继电器输出接在中央处理器Cortex-M0的GPIO接口上，语音单元通过I2C接口与中央处理器Cortex-M0联接。通讯接口中的RS485接口与中央处理器Cortex-M0之间通过TTL电平的串口联接；RF通讯接口接在中央处理器Cortex-M0的PWM输出接口上。电源模块负责将220AC转换成卫生间意外检测报警设备需要的12DC电源，给卫生间意外检测报警设备中的各部件提供运行的电源能量，具体实施时，根据其他模块的具体芯片需要连接并供电，具体实现可参见相应芯片说明书，本发明不予赘述。具体实施时，本领域技术人员可选择其他具体芯片实现各模块，同样在本发明的保护范围内。

环境感知传感器中存在传感器是用来感知人体、判断人体的运动方向和位置的。存在传感器采用的是红外热感应温差电堆阵列，内含一个8x 8网格式布局热电堆元件，安装在卫生间上方，将环境感知传感器正下方的平面上，即垂直投影面上分割成64个格点区域；实施例在热电堆上安装0.3mm厚度的60°角度的硅基镜头，用于将垂直投影面大角度范围的反射红外光集焦到热电堆元件阵列上。存在传感器红外热感应温差电堆阵列能够在不接触被测物体的前提下探测物体表面的绝对温度，将人体温度与背景温度分开用不同的值表示，以非接触的测量方式详细测量温度分布并感测人体和物体。使用卫生间跌倒检测报警设备时，结合本领域技术人员预先设置的图像识别算法，可判别出人体的运动方向、存在和人数。

考虑到卫生间通常的大小，卫生间跌倒检测报警器一般安装在卫生间的天花板中，高度约为2.2m±0.1m，即存在传感器红外热感应温差电堆阵列装的高度约2.2m±0.1m，在这个高度上存在传感器可以检测到垂直下方约3×3平方米的面积里的人体存在，这即是存在传感器的有效检测面积。存在传感器红外热感应温差电堆阵列将人体存在有效检测面积分成8×8的64个区域网格(简称区格)。当人体进入这个有效检测面格时，红外热感应温差电堆阵列根据人体体表温度和环境温度之间的差值测量温度分布并识别出人体与背景不同的图像。因为存在传感器红外热感应温差电堆阵列的有效检测面积与人体垂直，进入有效检测面积人体移动时会在有效检测面积上显示连续的格点变化，人体站立和躺倒时在存在传感器红外热感应温差电堆阵列64个区域网格上的检测上占的面积不一样。

环境感知传感器中测高传感器用于检测进入3×3平方米有效检测面积中的人体高度变化。在本发明实施例中采用发射角度为140度的4组一体化超声波探头，分布在卫生间跌倒检测报警器前后左右4个方向，垂直于有效检测面积。当老人进入有效检测面积后，测高传感器按前后左右的顺序启动各组超声波探头，以探测对应区域中人体的高度变化，当一组探头检测到人的高度就可以，既可得到人的高度，也可以了解到人体在下方大致的位置。人的高度指的是空间中人的头部顶点距地面的高度。在老人的实际活动过程中，人体的高度以及人在空间中的姿态都是随运动状态的变化而变化的，比如人在跌倒后的高度约为站立时的高度的30％，因此实时地确定人在空间中的高度变化可用于实时地判别人体的姿态站立，坐立或跌倒。

环境感知传感器中照度传感度环境光线采样使用的是低成本的光敏电阻来实现的，中央处理器Cortex-M0的AD采样模块对光敏电阻的值采用施密特算法处理输出布尔值，施密特算法为现有技术，本发明不予赘述。当老人进入卫生间时照度传感器检测环境光的强度以确定是否需要开灯照明。若需要开灯照明则由中央处理器Cortex-M0控制继电器输出给出导通开灯。

状态指示模块有二部分：继电器输出和语音单元。继电器输出由中央处理器Cortex-M0根据照度传感器检测环境光的强度来决定是否开关灯。如傍晚或夜晚光线较弱时则接通继电器开灯照明，进一步地，可在老人进入卫生间时才开灯以节约能源；如是白天照度条件良好时则不接通继电器灯不开。语音单元在报警发生前提示老人将要发出一个报警，在报警发生后持续发声，可提示老人报警已发出，同时提醒家人或看护人员有报警产生。例如当卫生间跌倒报警设备检测到跌倒或晕厥时，中央处理器Cortex-M0会启动语音单元发出“du””du”声，提示系统将会通过通讯接口发出报警，同时也提醒家人卫生间出现了异常情况——跌倒或长时间没有活动可能晕厥。

通讯接口二部分：有线接口RS485和无线接口RF。有线RS485接口可用于与第三方家居产品联接，与第三家居产品数据共享。无线接口RF用于当一个报警产生时，通讯接口将报警信息上传给相关的看护人员以及时发现意外发生。

本发明实施例采用以上模块，可以解决卫生间等不方便携带，有隐私要求特定场所的老人意外发生及时发现的需求。

为了及时的发现老人在卫生间发生跌倒或晕厥，本发明实施例设计了具有自动开关灯、摔倒检测、长时间无活动—晕厥检测、紧急呼叫功能的卫生间跌倒检测报警器。卫生间跌倒检测报警器采用红外人体图像识别+非接触式高度测量双重鉴定的技术。即通过对人体运动方向、人体在有效检测面积64个区格中投影占比变化和人体高度变化的监测，来判别人体发生跌倒或晕厥。

卫生间跌倒检测报警器判定人体通过以下1～4条件判断人体是否发生了跌倒，通过条件5确认人体是不否发生了晕厥。以下为识别条件：

1.存在传感器红外热感应温差电堆阵列检测面积区格面积有变化过程。

2.存在传感器红外热感应温差电堆阵列检测面积变化后的格点面积与原面积格点是连续的。

3.存在传感器红外热感应温差电堆阵列检测面积变化有一段静止时间，即变化后格点区域保持静止达到相应的预设时长S1，实施例中S1＝5S，即5S内没有移动。

4.超声探头检测到人体的高度H变化大于于B×人体高度且达到相应的预设时长S2，B为预设的百分比阈值，实施例中B＝70％，并维持时间大于S2＝5S。

5.无论是否检测到以上4个条件，但人体在卫生间大于预设时长S3＝30分钟没有活动时可以认为有晕厥产生。

卫生间跌倒检测报警器设计有二级灵敏度，对于跌倒检测高灵敏度设置时只需要满足前三个条件或第4个条件即认为跌倒，低灵敏度需要满足第1～4个条件。晕厥检测不受灵敏度设置影响，只需要满足第5个条件，卫生间跌倒检测报警器设计有一个活动检测翻转定时器，只要检测到人体连续大于30分钟没有活动即产生报警。具体实施时，本领域技术人员可自行设定B、S1、S2、S3的取值。

本发明实施例中，卫生间跌倒检测报警器有三个工作状态：初始化学习、正常工作和休眠。卫生间跌倒检测报警器每次上电220VAC时执行初始化，初始化过程学习可适应检测面积上物件的高度变化，将变化的高度记录在64个格点区域对应的位置作为系统的标高，增强对环境的适应性，减少误报率。

卫生间跌倒检测报警器在正常使用状态下，是否会触发报警逻辑如图3所示：

老人进入洗手间，卫生间跌倒检测报警器检测到有人进入，进入检测触发状态。老人正常如厕，卫生间跌倒检测报警器没有检测到跌倒识别条件1、2、3、4，也没有检测到跌倒识别条件5，即在30分钟内完成如厕未完成并离洗手间。卫生间跌倒检测报警器检测到老人离开，不报警，进入待机状态，等待下一次人体进入触发。若在检测触发状态中检测到跌倒识别条件1、2、3或4，老人跌倒在5S时间内没有起来，则卫生间跌倒检测报警器发出报警音和RF报警信号；在老人的如厕时没有检测到跌倒识别条件1、2、3、4，但如厕时间大于30min时，触发跌倒识别条件5，卫生间跌倒检测报警器发出报警音和RF报警信号。如果在报警音发出5S内检测到老人正常站起，则报警停止。

参见图4，卫生间跌倒检测报警器的工作过程分成三个步骤：

卫生间跌倒检测报警器第一次上电时，有一个初始化学习过程，学习初始化的时间约为13S。卫生间跌倒检测报警器第一次上电时下方的有效检测面上不要有人体。初始化学习过程将记录红外热感应温差电堆阵列检测到背景温度的值，测量记录垂直投影面上物体的高度。一般地，卫生间跌倒检测报警器在初始化过程中“学习”记录下方的有效检测面的高度，作为初始值L。

当检测到有人体进入时，卫生间跌倒检测报警器将初始化学习过程记录的高度作为初始值L与检测到的人体高度H作比较，结合存在传感器红外热感应温差电堆阵列背景艾格变化识别算法和测高算法双鉴判别人体的姿态是否是跌倒或晕厥，艾格变化识别算法和测高算法为现有技术，本发明不予赘述。

经过约13S的初始化学习后卫生间跌倒检测报警器进入正常工作。在正常工作时当有人进入洗手间，首先环境传感器将检测光照的强度，若光照不足如黄昏或夜晚，则接通状态指示模块继电器点亮照亮灯具。在老人没有离开时一直开灯照明，检测到老人离开5S后关灯。同时存在检测传感器红外热感应温差电堆阵列检测人体在64个区格中的投影面格和位置，然后启动对应位置的测高传感器连续的监测人体的高度变化。

测高传感器启动时首先进入发送模式，给出触发信号下降沿触发(边沿触发)循环发出8个40KHz的脉冲信号，也就是超声波脉冲信号，经放大后通过超声波探头发射器输出；然后延时约30nS后测高传感器进入接收模式，超声波探头接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动高度数据处理，测得超声波往返的时间为t。高度数据处理主要可由公式：测出的距离D(m)＝常温下的声速340(m/s)×往返时间t(s)/2，算出被测人体到卫生间跌倒检测报警器之间的距离D。在本发明技术方案中，对测高的精度要求不需要考虑温度对于声速的影响。

当检测到人体进入卫生间时，人体一般为站立姿态。由初始化中记录的环境高度L和人体到测高传感器的距离D可以得到人体高度H：

人体高度：H＝L－D

其中L是卫生间跌倒检测报警器安装位置到下方地面的距离，这个值在初始化学习过程中取得。

D是人体到测高传感器的距离。

实施例中，进一步设定，人体的高度H的有效范围是1.2m～2m，超出这个有效高度范围的人体作报警处理。

人体高度变化Δh可以根据同理检测到的后续行动时人体的实时高度H’和初始的人体高度H进行比较得到，Δh＝H-H’。H’＝L－D’，D’是人体到测高传感器的实时距离。

根据统计，一般人的坐高约为0.7H；当人跌倒时的高度约为0.3H。当Δh≈0.3H时，可以认为进入了报警高度区域，人体发生了跌倒。实施例中采用了比较严格的设定，取B＝70％，即根据测高传感器检测到人体的高度变化大于0.7H且达到相应的预设时长S2时，满足条件d)。启动状态指示模块中的语音单元给予报警音提示，报警提示音发出5次后即正式报警。在这5次提示音的过程中，如果是误报警老人站立起来了，Δh≥0.5H则会取消报警。如果老人没有站立或再一次跌倒躺下，则发出告警。

卫生间跌倒检测报警器安装的下方是约3平方米有效检测面积，环境感知传感器的红外热感应温差电堆阵列将3平方米的有效检测面积分成64个区格。当人体进入这64个区格时，对应的区格将被填充，如图5所示。卫生间跌倒检测报警器启动对应的测高传感器探头，不间断的监测人体的姿态变化，根据区格人体投影姿态判断人体是否发生意外。

若在检测过程中检测到以下5条报警条件，满足灵敏度要求时，则启动状态指示模块中的语音单元给予报警音提示，报警提示音响5次后报警条件还存在则正式报警。发出报警语音，同时通讯接口发出有线RS485和无线RF的信号，将报警信息上传给家人和看护人员。

报警条件：

1.存在传感器红外热感应温差电堆阵列检测面积区格面积有变化过程。

2.存在传感器红外热感应温差电堆阵列检测面积变化后的格点面积与原面积格点是连续的。

3.存在传感器红外热感应温差电堆阵列检测面积变化有静止时间达到5S。

4.超声探头检测到人体的高度H变化大于70％且达到5S。

5.人体在卫生间大于30分钟没有活动。

卫生间跌倒检测报警器进入休眠的条件是初始化后10S没有检测到有人存在或人体离开5S后。休眠时仅环境感知传感器中的存在检测红外热感应温差电堆阵列模块工作，其它的电路部分进入节能低功耗模式。一旦检测到有人进入，红外热感应温差电堆阵列模块唤醒中央处理器Cortex-M0，将人体的运行方向和位置信息上传给中央处理器Cortex-M0，由中央处理器Cortex-M0启动对应位置的测高传感器进入正常工作。

检测过程的软件处理流程如图7所示，具体过程说明如下：

卫生间跌倒检测报警器在安装后第一次上电或使用中需要对环境学习断电重新上电初始时，卫生间跌倒检测报警器将首先初始化存在传感器红外热感应温差电堆阵列，存在传感器红外热感应温差电堆阵列将记录下方的温度值。这个温度值将作为背景温度值，在人体进入检测有效区格时与人体温度比较得出人体轮廓图片。然后启动测高传感器超声波阵列，按前后左右中的顺序依次测量记录下方高度值，并将这个高度值作为初始值记录。具体实施时，可以利用初始化过程学习进一步地防止误报，即使检测有效区格中某一处有一个较高的物体，如一把椅子。可以将卫生间跌倒检测报警器断电重新上电进行学习，卫生间跌倒检测报警器在正式工作时检测到这个区格的高度也认为这个高度是正常值而不会报警。卫生间跌倒检测报警器初始化约需要时间13秒。具体实施时，还可以利用多组超声波陈列探头，进一步地对卫生间分区域检测高度，每个区域的初始高度不同，相应高度变化比例阈值B可以由本领域技术人员分别具体设定。例如地面区域的B＝0.7，浴缸区域的B＝0.2，椅子区域的B＝0,4。

卫生间跌倒检测报警器初始化后进入待机模式，待机模式下卫生间跌倒检测报警器仅存在传感器红外热感应温差电堆阵列工作检测是否有人进入。当有人进入检测有效区格时，卫生间跌倒检测报警器进入工作模式，工作模式中启动照度传感器检测环境照度，确认是否需要开灯，同时启动计时器。如环境光照不够，则输出继电器闭合，开灯。存在传感器红外热感应温差电堆阵列不间断的检测人体是否一直存在，若存在则对比温度分布图像，判断是否异常。当有满足报警条件1、2、3时，进一步启动测高传感器检测是否有报警条件4产生，即根据超声波距离判断的人体的高度变化大于阈值。若同时满足报警条件1、2、3和4，则发出人体跌倒报警。若报警条件1、2、3和4不满足，但报警条件5触发，则发出晕厥报警。为免误报起见，可以在超声波距离值正常、计时器超时，可采用存在传感器再次确认是否人还在检测区域内。

在人体进入检测有效区格时，没有触发报警条件1、2、3和4，也没有触发报警条件5。人正常离开，卫生间跌倒检测报警器不报警。卫生间跌倒检测报警器再次进入待机工作模式。

本发明针对卫生间老人跌倒或晕厥的意外提供一个非接触式的自动检测主动报警设备。采集和分析人体运动姿态，判断老人是否发生跌倒或晕厥。相对于报警面板或视频看护，本发明具有使用方便，检测可靠，保护个人隐私等特点，具有较高的实用性。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的。因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。