一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯的制作方法
本发明涉及一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯，尤其是涉及一种基于fpga的视频摔倒检测技术。
背景技术：
独居老人在日常生活中极易发生各种危险,如摔倒、烧伤、烫伤等，其中摔倒发生率是最高的。当发生摔倒时，独居老人往往因无法得到及时救助而造成重大伤害。因此建立一套智能的家庭摔倒检测系统是非常有必要的，能够对独居老人的行为进行实时分析，并自动检测出摔倒等异常行为，从而采取相应措施使独居老人及时得到救助。
目前的摔倒检测主要是采用基于视频监控技术的pc机进行图像识别，设备安装复杂，且需要长时间24小时不停机工作，容易产生系统不稳定、死机等现象，从而影响摔倒实时检测。随着大规模可编程器件的高速发展，fpga的规模越来越大，成本也越来越低。fpga具有强大的并行处理能力，能够采用流水线设计方式，可以大大提高系统处理速率，对于大容量图像处理，更能体现出快速数据处理的能力。相比于pc机，基于fpga的实时数字图像处理系统拥有相当明显的优势，运行速度高，灵活性强，体积小，功耗低，且其内部的逻辑功能实际上都是采用硬件电路来完成的，所以产生的延迟也是来自门电路的纳秒级延迟，采用硬件芯片代替传统的pc机软件处理图像，是图像处理领域的一个趋势。
技术实现要素：
本发明意在提供一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯，以解决独居老人在房间内摔倒后无法及时站起就医，错过救治时机而导致人员伤亡的问题。一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯包括led灯模块、智能摔倒检测模块和电源模块。
led灯模块作为日常生活所用的照明灯，本发明中的智能摔倒检测模块内嵌于led灯模块内部，主要包括：cmos摄像头电路单元、fpga控制电路单元、蜂鸣器报警电路单元和gsm通信电路单元。
cmos摄像头电路单元对独居老人日常生活进行视频图像的采集，并将视频图像传输至fpga控制电路单元。fpga控制电路单元对从cmos摄像头电路单元接收到的视频图像进行图像处理，通过混合高斯背景建模和背景减除法提取出前景，结合人体高宽比和有效面积比两个条件进行摔倒判定，若检测结果为摔倒时，fpga控制电路单元控制led灯模块进行灯光闪烁报警，同时控制蜂鸣器报警电路单元进行声音报警。通过led灯模块和蜂鸣器报警电路单元的声光报警能够定位老人摔倒房间的位置，便于救护人员展开及时抢救。声光报警的同时，fpga控制电路单元控制gsm通信电路单元将摔倒报警信息发送给独居老人的亲属和社区服务站，摔倒报警信息可以帮助亲属和社区及时的通知救援人员，使其能够快速抵达现场对摔倒老人展开救助。
电源模块分为第一电源电路单元和第二电源电路单元，第一电源电路单元为fpga控制电路单元提供稳定的5v电压，同时第二电源电路单元为led灯模块提供稳定的3.3v电压。
本发明的有益效果为：
本发明提出的一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯，若老人发生摔倒事件，fpga控制电路单元控制led灯模块和蜂鸣器报警电路单元进行声光报警，同时控制gsm通信电路单元将摔倒报警信息及时发送给社区服务站和老人亲属，使老人在摔倒发生后得到及时救助，避免了严重后果的发生。
本发明提出的一种自动检测独居老人摔倒的智能灯是基于fpga硬件平台开发的，智能灯一方面可以在日常生活中作为照明灯使用，另一方面就是结合fpga检测老人摔倒并通过灯光闪烁实现报警功能。照明灯作为现代日常生活中不可或缺的电器，实用性强，在未给家庭生活增加额外设备的同时附之自动摔倒检测功能，在智能家居中占据了有利的位置。本发明弥补了传统pc机视频摔倒检测系统的稳定性及实时性差的不足，误报率低，且设备体积小、安装便捷。
附图说明
图1为本发明涉及的一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯的整体框图；
图2为本发明涉及的fpga芯片内部逻辑功能图；
图3为本发明涉及的摔倒检测算法流程图；
图4为本发明涉及的cmos摄像头电路单元与fpga连接电路图；
图5为本发明涉及的led灯模块与第一电源电路单元及fpga连接电路图；
图6为本发明涉及的蜂鸣器报警电路单元与fpga连接电路图；
图7为本发明涉及的gsm通信电路单元与fpga连接电路图；
图8为本发明涉及的第二电源电路单元的电路图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的模块和/或电路，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供了一种能自动检测独居老人摔倒的智能灯，结合图1所示，自动检测独居老人摔倒的智能灯由led灯模块1、智能摔倒检测模块2和电源模块3组成。
1.led灯模块
led灯模块1即为家用led照明灯，led灯模块1用于日常照明，且在智能摔倒检测模块2检测出摔倒后进行闪烁报警；
2.智能摔倒检测模块
智能摔倒检测模块2包括cmos摄像头电路单元21、fpga控制电路单元22、蜂鸣器报警电路单元23和gsm通信电路单元24，智能摔倒检测模块2用于对独居老人进行摔倒检测；
cmos摄像头电路单元21对独居老人的日常生活进行视频图像的采集，并将视频图像传输至fpga控制电路单元22。fpga控制电路单元22对从cmos摄像头电路单元21接收到的视频图像进行图像处理和摔倒判定，若检测结果为摔倒时，fpga控制电路单元22控制led灯模块1和蜂鸣器报警电路单元23进行声光报警，能够定位老人摔倒房间位置，便于救护人员的及时抢救。同时fpga控制电路单元22控制gsm通信电路单元24发送摔倒报警信息给独居老人的亲属和社区服务站，便于展开及时的救助，gsm通信电路单元24和fpga控制电路单元22连接并由fpga控制电路单元驱动工作。
fpga控制电路单元采用ep4ce15f17c8n芯片为核心处理器件，下面从两个方面来详细描述fpga控制电路单元22。
2.1fpga芯片部分
fpga为可重复编程逻辑器件，通过软件语言的设计实现硬件功能，且fpga具有强大的并行处理能力，能够采用流水线设计方式，可以大大提高系统处理速率，对于大容量图像处理，更能体现出快速数据处理的能力。本发明是基于fpga实现的实时摔倒检测系统，相比于pc机，拥有相当明显的优势，运行速度快，灵活性强，体积小，功耗低。
本发明通过veriloghdl硬件描述语言开发设计的fpga内部逻辑如图2所示。fpga芯片内部设计有read接口电路、clk时钟电路、图像处理电路、摔倒判定电路、uart控制器电路、报警控制器电路、sdram控制器电路和sram控制器电路。read接口电路、clk时钟电路、图像处理电路、功能判定电路、uart控制电路、报警控制器电路、sdram控制器电路和sram控制器电路均连接至fpga内部总线，其中，uart控制器电路连接gprs模块，报警控制器电路连接led灯和蜂鸣器，sdram控制器电路连接sdram存储芯片，sram控制器电路连接sram存储芯片。
cmos摄像头电路单元21将采集到的视频图像通过read接口电路传输至fpga内部总线，并经sdram控制器电路存储到sdram存储芯片内；图像处理电路通过总线读取sdram存储芯片内的视频图像进行图像处理及背景建模，并将处理好的背景模型存储到sdram存储芯片内；摔倒判定电路通过总线读取sdram存储芯片内的视频图像和背景模型进行摔倒判定，当判定结果为摔倒时fpga芯片控制启动uart控制电路和报警控制器电路，其中用于图像处理与摔倒判定所需的指令与算法通过sram控制器电路存储到sram存储芯片内。
2.2自动检测摔倒算法部分
智能摔倒检测模块2是通过fpga芯片进行视频图像的处理，本发明涉及的自动检测摔倒算法如图3所示，具体步骤如下:
步骤一、混合高斯背景建模过程：
第一、将经数据总线从sdram存储模块中读取的图像作为原始图像数据，对于每一帧图像中的每个像素点
第二、参数初始化：
初始化预先定义的k个高斯模型，对每个高斯模型中的均值
第三、参数更新：
将当前帧的像素点与高斯混合模型中k个高斯模型进行匹配，满足公式（2-3）时为背景，按照公式（2-4）、（2-5）、（2-6）进行参数更新，
步骤二、人体目标提取过程：
从sdram中读取当前图像和背景图像，用当前帧图像中的像素与背景图像对应的像素进行差分运算，
满足公式（2-7）时为前景图像，
步骤三、摔倒检测过程：
通过标定二值图像中人体目标的最小外接矩形框，检测出人体目标的高度l和宽度w，并计算出二值图像中前景即人体目标的有效像素个数的总和
3.电源模块
电源模块包含第一电源电路单元31及第二电源电路单元32，第一电源电路单元31为智能摔倒检测模块2提供稳定的5v电压，第二电源电路单元32为led灯模块1提供稳定的3.3v电压。
优选实施例
下面结合图4对cmos摄像头电路单元21和fpga控制电路单元22连接的一种实现方式作进一步说明，
如图4所示为cmos摄像头电路单元21与fpga控制电路单元22的fpga芯片的连接电路图，cmos摄像头电路单元21包括camera芯片，camera芯片选用ov7725cmos型号，fpga控制电路单元22包括fpga芯片，fpga芯片选用ep4ce15f17c8n芯片。fpga芯片的cmos_sdat、cmos_href和cmos_xclk引脚分别与camera芯片的4、6和8引脚连接，fpga芯片的cmos_sclk、cmos_vsync和cmos_pclk引脚分别与camera芯片3、5和7引脚连接，实现fpga芯片对camera芯片的初始化和视频图像的时钟同步；fpga芯片的cmos_data7、cmos_data5、cmos_data3和cmos_data1引脚分别通过数据总线与camera芯片9、11、13和15引脚连接，fpga芯片的cmos_data6、cmos_data4、cmos_data2和cmos_data0引脚分别与camera芯片10、12、14和16引脚连接，实现fpga芯片和camera芯片之间视频图像的数据传输。
下面结合图5对led灯模块1和第二电源电路单元32及fpga控制电路单元22连接的一种实现方式作进一步说明，
如图5所示为led灯模块1与第二电源电路单元32及fpga控制电路单元22的fpga芯片的连接电路图，其中第二电源电路单元32使用220v电源供电，220v交流电经降压电容c1降压后经全桥整流，再经过滤波电容c2滤波后，经限流电阻r3给串联的led灯模块提供恒流电源。
fpga芯片控制led灯模块报警的电路连接方式如下，
fpga芯片控制其i/o引脚1输出高低电平，当i/o引脚1输出高电平时，三极管q2不导通，衔铁1与2吸合，led灯模块电路导通；当i/o引脚1输出低电平时，三极管q2导通，继电器中线圈通电产生磁场，使衔铁1与3吸合，led灯模块电路断开。通过fpga芯片控制其i/o引脚1高低电平的输出实现led灯模块的灯光闪烁报警。
下面结合图6对蜂鸣器报警电路单元23和fpga控制电路单元24连接的一种实现方式作进一步说明，
如图6所示为蜂鸣器报警电路单元23与fpga控制电路单元22的fpga芯片连接电路图，fpga芯片控制其i/o引脚2输出低电平，三极管q1导通，电路驱动蜂鸣器发出声音。蜂鸣器报警电路单元通过fpga芯片控制其i/o引脚2低电平的输出实现蜂鸣器报警电路单元的声音报警，能够帮助救援人员快速准确的找到老人摔倒所在位置，节省了救援时间，避免了严重后果的发生。
下面结合图7对gsm通信电路单元24和fpga控制电路单元22连接的一种实现方式作进一步说明，
如图7所示为gsm通信电路单元22与fpga控制电路单元22的fpga芯片连接电路图，gsm通信电路单元22选用sim900a芯片，fpga芯片的txd，rxd，gnd分别和sim900a芯片的rxd，txd，gnd相连，当fpga控制电路单元22检测结果为摔倒时，fpga控制电路单元22驱动gsm通信电路单元24进行通信报警。gsm通信电路单元24包括记载该老人相关信息的gsm通信终端，gsm通信终端将摔倒报警信息分别发送给老人居住的社区服务站和老人亲属，gsm通信终端发出的摔倒信息包含了老人的住址、血型和病史等基本情况，便于救援人员能够快速的准备相关的药物和治疗方案。
下面结合图8对第一电源电路单元31的一种实现方式作进一步说明，
如图8所示为第一电源电路单元31电路图，lm7805为稳压集成电路，为fpga控制电路单元22提供稳定的+5v电压，220v交流电经变压器tf1变压为9v后经全桥整流，再经过滤波电容c1滤波后输入至lm7805稳压集成电路的vin引脚，+5v引脚输出直流+5v电压经滤波电容c2滤波后为fpga芯片提供+5v电压。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
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