一种基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置的制作方法

本发明涉及老人跌倒状态检测技术领域，尤其涉及一种基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置。

背景技术

中国正逐渐步入老龄化社会，老年人健康问题受到广泛关注，有一些监测老人心脏等产品，但关于老人跌倒状态检测的研究还比较少。老人在无人监护状态下意外跌倒将导致严重后果，为了降低老人因跌倒带来的伤害，及时的医疗服务可以起到至关重要的作用，因此人体跌倒行为的实时检测非常必要。传统的方法是采用三轴加速度传感器对人体进行实时检测，通常情况下可以准确监测，但是对于很小幅度的跌倒或者缓慢的跌倒时可能会产生漏判。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测朱感知，人体活动时加速度分量的变化结合腿部的碳纳米管/橡胶传感器电阻的变化，建立人体跌倒过程的运动模型，准确区分人体正常状态和意外跌倒。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置，包括电源模块、传感器模块、加速度计模块、主控微处理器模块、蓝牙通信模块、手机终端；

所述电源模块为传感器模块、加速度计模块、主控微处理器模块、蓝牙通信模块提供直流电源；

所述传感器模块安装在被测者膝盖部位的内衣上，与被测者膝盖接触，包括碳纳米管/橡胶传感器及其调理电路，用于检测由于腿部运动而产生的电阻变化，从而判断腿部是否弯曲以及弯曲程度；

所述加速度计模块安装在被测者上身，包括三轴加速度传感器及其调理电路，用于检测被测者在预设三维坐标x、y、z三个方向的运动状态，判断人体重心的位置变化，监测人体正常状态和意外跌倒时的加速度水平；

所述主控微处理器模块包括单片机及其外围电路，其输入端与传感器模块、加速度计模块的输出端连接，用于根据碳纳米管/橡胶传感器电阻的变化，建立人体跌倒过程的运动模型，研究人体跌倒的过程以及几种跌倒姿势腿部的变化，提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数，准确区分人体正常状态和意外跌倒；还用于根据建立的人体跌倒过程的运动模型和三轴加速度计的加速度方向、大小是否发生变化以及如何变化、碳纳米管/橡胶传感器的阻值变化是否正常即是否为正常行走或站立，判断被测者的变化是否符合跌倒过程，如果符合跌倒过程，则分析被测者最后处于什么姿势，并把其姿势和位置信息通过蓝牙通信模块实时发送给手机终端；

所述手机终端通过蓝牙通信接收主控微处理器模块发送的被测者的姿势和位置信息，并第一时间通过声音和文字信息提醒手机终端持有者对被测的跌倒老人进行救治；手机终端持有者为家人或社区服务站。

所述三轴加速度传感器预设三维坐标以人体躯干方向为z轴，人体两侧方向为y轴，人体前后方向为x轴；

人体处于静止或水平匀速运动状态时，人体仅受重力作用，即z轴方向的加速度为重力加速度，x轴和y轴上受力或加速度为0；当人意外跌倒时，理想情况下z轴分量变化为0，而x轴或y轴的分量，则从0变化为最大，具体是x轴还是y轴发生这一变化，则由人跌倒后的姿态决定，平卧为x轴变化，侧卧为y轴变化；

若跌倒姿势为前后，则加速度方向由z轴变化为x轴，向前跌倒腿部状态为两腿由直到弯，再由弯到直，向后跌倒腿部状态为一腿弯曲一腿直；若跌倒姿势为左右，则加速度方向由z轴变化为y轴，左侧跌倒腿部的状态为左腿弯曲右腿直，右侧跌倒腿部的状态为右腿弯曲左腿直。

所述基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置还包括远程监控终端，所述远程监控终端与手机终端通过互联网进行通信，同时还能通过物联网与亲人家属手持移动终端、医院终端、医生所持终端之间进行信息交换和通信，并通过云计算进行实时数据分析，在主控微处理器模块判断老人出现跌倒时，对现有的医疗资源进行合理调配。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置，加速度分量的变化结合碳纳米管/橡胶传感器电阻的变化，建立人体跌倒过程的运动模型，研究人体跌倒的过程以及几种跌倒姿势腿部的变化，提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数，准确区分人体正常状态和意外跌倒，及时对跌倒老人进行救治。

附图说明

图1为本发明实施例提供的人体不同活动状态的姿势示意图；其中，(a)为站立时姿势示意图；(b)行走时姿势变化示意图；(c)坐下时姿势变化示意图；(d)俯身时姿势变化示意图；(e)上楼梯时姿势示意图；(f)下楼梯时姿势示意图；(g)向前跪下时姿势变化示意图；(h)向前趴下时姿势变化示意图；(i)向后坐下时姿势变化示意图；(j)向后躺下时姿势变化示意图；(k)向左倒下时姿势变化示意图；(l)向右倒下时姿势变化示意图；

图2为本发明实施例提供的基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置结构框图；

图3为本发明实施例提供的传感器安装位置示意图；

图4为本发明实施例提供的碳纳米管传感器及其调理电路图；

图5为本发明实施例提供的加速度传感器及其调理电路图；

图6为本发明实施例提供的人体受力示意图；

图7为本发明实施例提供的主控微处理器及其外围电路图；

图8为本发明实施例提供的蓝牙通信模块电路图。

图中：1、碳纳米管/橡胶传感器；2、三轴加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在实际应用中，老人的日常运动也不仅仅是静止和匀速直线运动，还有坐、俯身、上下楼梯等动作，人体通常跌倒的姿态主要有：向前趴下、前跪下、向后躺下、向后坐下、向左倒下和向右倒下等几种形式，各种活动的人体运动姿势如图1所示。仅通过加速度分量的变化很难正确判断老人跌倒，可能产生误判或漏判。因此要结合碳纳米管/橡胶传感器电阻的变化，建立人体跌倒过程的运动模型，研究人体跌倒的过程以及几种跌倒姿势腿部的变化，提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数，准确区分人体正常状态和意外跌倒。

如图2所示，本实施例提供基于可穿戴传感器的老人缓慢跌倒检测装置，包括电源模块、传感器模块、加速度计模块、主控微处理器模块、蓝牙通信模块、手机终端、远程监控终端。

电源模块为传感器模块、加速度计模块、主控微处理器模块、蓝牙通信模块提供直流电源。

传感器模块安装在被测者膝盖部位的内衣上，如图3所示，该模块包括碳纳米管/橡胶传感器1及其调理电路，如图4所示，碳纳米管/橡胶传感器1与被测者膝盖接触，用于检测由于腿部运动而产生的电阻变化，从而实现对腿部运动状态检测，判断腿部是否弯曲以及弯曲程度。对碳纳米管/橡胶传感器特性如线性度、灵敏度和可逆性进行分析，可知该传感器具有如下特性：(1)柔软易于同衣服结合在一起；(2)对微小应变非常敏感，精度高；(3)其应变与其电阻特性成一定的线性关系；(4)该传感器进行多次重复实验后仍具有最初的敏感特性即重复性好。

加速度计模块安装在被测者上身，本实施例中安装在被测者的腰部，如图3所示，该模块包括三轴加速度传感器2及其调理电路，如图5所示，用于检测被测者在预设三维坐标x、y、z三个方向的运动状态，判断人体重心的位置变化，监测人体正常状态和意外跌倒时的加速度水平。预设的三维坐标以人体躯干方向为z轴，人体两侧方向为y轴，人体前后方向为x轴，如图6所示。

人体处于静止或水平匀速运动状态时，人体仅受重力作用，即z轴方向的加速度为重力加速度，x轴和y轴上受力或加速度为0；当人意外跌倒时，理想情况下z轴分量变化为0，而x轴或y轴的分量，则从0变化为最大，具体是x轴还是y轴发生这一变化，则由人跌倒后的姿态决定，平卧为x轴变化，侧卧为y轴变化。

如图1所示，是人体日常活动与几种跌倒情况的运动过程，由此可以看出，人体日常活动仅是z轴方向的加速度发生改变，若人体行走则两个腿部运动频率相同即碳纳米管/橡胶传感器的电阻变化相同，而跌倒过程是加速度大小和方向的改变和膝盖弯曲程度的共同变化。跌倒发生前，不论是站立还是坐着，躯干都是近乎垂直于地面的，若跌倒姿势为前后，则加速度方向由z轴变化为x轴，向前跌倒腿部状态为两腿由直到弯，再由弯到直，向后跌倒腿部状态为一腿弯曲一腿直；若跌倒姿势为左右，则加速度方向由z轴变化为y轴，左侧跌倒腿部的状态为左腿弯曲右腿直，右侧跌倒腿部的状态为右腿弯曲左腿直。

一次典型的跌倒通常包括失重、撞击、静止以及最终形成与初始状态不同的身体状态4个过程，其中失重过程即加速度改变过程，撞击发生时碳纳米管/橡胶传感器会受到一定的压力从而引起电阻的变化。

主控微处理器模块包括单片机及其外围电路，如图7所示，本实施例中的单片机型号为msp430。主控微处理器模块输入端与传感器模块、加速度计模块的输出端连接，用于根据碳纳米管/橡胶传感器电阻的变化，建立人体跌倒过程的运动模型，研究人体跌倒的过程以及几种跌倒姿势腿部的变化，提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数，准确区分人体正常状态和意外跌倒；还用于根据建立的人体跌倒过程的运动模型和三轴加速度计的加速度方向、大小是否发生变化以及如何变化、碳纳米管/橡胶传感器的阻值变化是否正常即是否为正常行走或站立，判断被测者的变化是否符合跌倒过程，如果符合跌倒过程，则分析被测者最后处于什么姿势，并把其姿势和位置信息通过蓝牙通信模块实时发送给手机终端。

本实施例中，蓝牙通信模块采用蓝牙4.0，其硬件电路图如图8所示。

手机终端持有者为家人或社区服务站，手机终端通过蓝牙通信接收主控微处理器模块发送的被测者的姿势和位置信息，并第一时间通过声音和文字信息提醒家人或社区服务站对被测的跌倒老人进行救治。

远程监控终端与手机终端通过互联网进行通信，同时还能通过物联网与亲人家属手持移动终端、医院终端、医生所持终端之间进行信息交换和通信，并通过云计算进行实时数据分析，在主控微处理器模块判断老人出现跌倒时，对现有的医疗资源进行合理调配，从而实现个性化医疗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。