2012019 9 年河北大学大学生创新创业训练计划项目年河北大学大学生创新创业训练计划项目 申请活页申请活页 项目名称项目名称 基于三轴加速度传感器的老人跌倒检测手环基于三轴加速度传感器的老人跌倒检测手环 项目类型项目类型 创新训练创新训练 创业训练 创业训练 创业实践 创业实践 项目所属学院项目所属学院 电子信息工程学院电子信息工程学院 1 1 项目特色和创新点 项目特色和创新点 1 老人跌倒检测手环具有体积小 可穿戴 操作简易 性价比高体积小 可穿戴 操作简易 性价比高的优点 遇 到险情时 能够及时准确地传递定位信息 有效达到救治目的 2 通过三轴传感器三轴传感器检测设备的运行情况 调整控制参数阈值 加强系统的协 调性与可靠性 提高检测精度来达到准确检测的目的 3 后台支撑 我们团队计划开发我们自己的安卓移动客户端 APPAPP 及时把第 一手数据送到子女手中 4 老人可使用 紧急呼叫紧急呼叫 按钮进行呼救 2 2 项目简介 项目简介 不超过 不超过 2 20000 字 字 随着我国人口老龄化 老人的健康已成为社会关注的热门话题 而在日常生 活中跌倒是老年人伤残的主要原因之一 本项目旨在研究一款手环式的可穿戴跌 倒检测与报警系统 该智能监测手环由三轴加速度传感器 嵌入式单片机及三轴加速度传感器 嵌入式单片机及 GPRSGPRS 无线通信无线通信三大 模块构成 利用加速度向量幅值和人体倾角来检测跌倒动作 三轴加速度传感器 用来计算加速度向量幅值 人体倾角则通过陀螺仪获取 通过加速度传感器和陀 螺仪等多传感器相互配合来判断老人是否跌倒 一旦确认摔倒后立刻通过 GPRS 远程通信通知监护人 使老人能够获得及时救助 本设计为老人的健康及安全出 行增添一份有力的保障 3 3 项目基础 项目基础 团队成员介绍 团队成员介绍 1 孙一豪 学习成绩优异 获全国大学生数学竞赛三等奖 河北大学电子设计竞 赛二等奖 河北大学一等奖学金 熟悉 Matlab C 等 2 胡智伟 学习成绩优异 获河北大学一等奖学金 评为河北大学优秀共青团员 获得英语 CET4 CET6 证书 可以熟练使用 C 语言 MATLAB 3 高尚 学习成绩优异 曾经获得河北大学一等奖学金和河北大学三好学生称号 河北大学第二十届电子设计竞赛二等奖 熟练应用 c 语言 MATLAB 4 曹梦竹 学习成绩优异 连续获得河北大学一二等奖学金以及三好学生称号 熟练使用 spss eviews 等软件操作 5 戴鸿宇 学习成绩优秀 获得河北大学三等奖学金 熟练使用 c 语言 c 获 得英语 cet4 证书 项目研究背景 项目研究背景 经过小组讨论发现 现今市面上的智能手环面向的团体多为为儿童群体以及 运动群体 面向老人这一群体的智能手环发展并不是特别成熟 在市场上还具有 发展的潜力 对现有的老年人智能手环进行搜索会发现 国内外的老年人用智能 手环大多基于安卓系统 搭载智能系统固然是好的 但在我国 许多老年人在习 惯上并不适应新科技 经过询问 许多老年人对于腕带的智能系统并不是特别习 惯 繁杂的操作往往难以记住 所以我们趋向于开发一款对老人来说操作精简 方便的智能手环 国内外研究现状和发展动态 国内外研究现状和发展动态 国内 近年来 跌倒成为 65 岁以上老年人意外伤亡的首位因素 且年龄越大 死 亡风险越高 1 跌倒检测系统是一种个人远程监护系统 保护了老年人群的健康 与安全 可以有效检测老年人是否发生跌倒并及时报警 所以 跌倒检测技术越 来越受到社会各界关注与重视 从现今国内外的研究成果来看 关于老年人摔倒 时进行报警的方法产品繁多 根据各项产品在研发与使用中获得的信息形式来源 不同 主要划分为以下几种 1 老年人自主启动的摔倒报警系统 设备要求老年人摔倒时自主报警 所以使用者必须具备一定程度的自救能力 和自主活动能力 同时 老年人还得需要在清醒的状态下才能成功完成自救 目 前此设备的存在很大的安全隐患问题 很可能老年人由于跌倒造成身体机能上的 伤害 失去了自我救护的意识 无法及时按下报警按钮 因此 不能达到用户的 需求 2 利用视频图像信息监测的跌倒报警系统 在使用时 摄像头可以设置在老年人易发生跌倒的位置 这种报警方式主要 是利用视频图像监测设备实时捕捉老年人的活动 当老年人在图像信息中出现非 正常情况下的身体移动或位置姿态发生变化时 实行自动报警 这个设计有助于 老年人身体上的自由活动 很大程度上没有受到束缚 但是 当前的设计有局限 性 只能在有限的范围内对老年群体进行安全救治 有很多的不确定性 国外 1 苹果也在 2018 年尝试向智能手环加入更丰富的功能 价格对国内却过于 昂贵 2 GreatCall 的 Lively Mobile 类似于其他医疗设备 如生活警报 附带 一个基本单元 但 Lively Mobile 是一个独立的 无线 可穿戴的 同时具有防 水功能 但月租费昂贵月租费昂贵 电池续航差 3 ActiveProtective 安全气囊智能腰带 用于髋部保护 但是尚且未向公尚且未向公 众开放 众开放 4 GPS SmartSole 最适合 GPS 跟踪 它的 GPS 可以跟踪位置 每五到十分 钟向智能应用程序发送一个信号 可以使用地图查看在自己上的位置 也可以在亲人的上进行设置 GPS SmartSole 售价约 300 美元 价格昂贵 还需要按月支付服务费 计划每月约 15 美元 还需要定期为鞋底充电以保持其 正常工作 研究意义 研究意义 我们身处在这个老龄化的时代 一对小夫妻往往由于工作和孩子的原因很难 无时无刻地陪在老人身边 这就给老年人这个弱势群体带来一种潜在的风险 而 根据统计 跌倒造成的意外损伤是老年人死亡的第 6 位原因 跌倒会对老年人产 生双重伤害 首先 身体上 跌倒引起躯体损伤率为 10 其中重度软组织损伤 占 5 包括关节积血 脱位 扭伤及血肿 骨折占 5 主要是肱骨外科颈 桡 骨远端及髋部骨折 老年人由于骨质疏松 骨脆性增加 跌倒时容易发生骨折 而且随增龄而急剧上升 其次 心理上 虽然 90 跌倒的老年人并不引起躯体 损伤 但跌倒给老年人带来极大的心理创伤 约有 50 跌倒者对再次跌倒产生惧 怕心理 因这种恐惧而避免活动者占跌倒的 25 因此 对跌倒的恐惧可以造成 跌倒 丧失信心 不敢活动 衰弱 更易跌倒的恶性循环 甚至卧床不起 所以 如 何及时地发现老人跌倒 第一时间给予救助就显得非常重要 研究思路研究思路 如何设计出一个能够精准地检测出老年人跌倒的监测系统并及时向子女反 馈进行救治是我们研究的主要内容 监测智能手环的主要系统结构如图 1 所示 本设计利用加速度向量幅值和人体倾角进行跌倒检测 采用三轴加速度传感器计 算加速度向量幅值 人体角速度则通过陀螺仪获取 提前设定阈值 一旦数据超 过设定阈值 摔倒检测模块的报警信号会送到主控模块 主控模块立刻远程通知 监护人 子女 GPS 定位系统返回坐标数据向设定号码发送通知信息 接受信 息的子女可通过 APP 查看老人所处位置 同时老人也可自行进行一键呼叫 使老 人及时获救 本文设计的算法简洁有效 准确率高 具有较强的实用性 图 1 智能监测系统 实施目的实施目的 在科技创新发展的基础上 以老人的日常生活需求作为出发点 通过市场上 现有老年人使用的相关电子产品进行进一步的改进和精简 最终达到老年群体轻 松使用 方便操作的效果 通过简化复杂功能 强化基础性能 进一步减低产品 价格来扩大智能手环的市场范围 改变了以往只适用于高消费群体单一性的状 况 使智能手环的便民服务能够遍及大众 老人智能手环是一款专门针对中老年 人群设计 能够及时有效的针对老年人意外跌倒问题反馈信息 不仅便于携带操 作 而且还能满足中老年人的安全需求 保证了老年人出行人身安全 使老年人 日常生活得到保证 老人放心 子女安心 拟解决的关键问题拟解决的关键问题 1 跌倒检测的准确率和实用性还有待提高 2 跌倒检测算法复杂程度难以产品化 3 智能手环内置软件程序设计与编写及接收信息 app 创建 主要研究方法主要研究方法 一 调查法 搜集有关老年群体目前使用智能手环的现实状况与对智能手环的认知程度 通过对老年进行谈话 问卷 测验等科学方式 并对调查搜集到的大量信息进行 硬件硬件 三 轴 传三 轴 传 感 器 及感 器 及 陀 螺 仪陀 螺 仪 模块模块 GPS模模 块块 GPRS 通通 信模块信模块 安卓安卓 APP后后 台支撑台支撑 软件软件 手环手环模块模块 分析 综合 比较 归纳 从而制定出老年人普遍接受的计划方案 二 功能分析法 1 跌倒模型建立 1 建立人体三维坐标系 人体在运动时的加速度可从 x y z 三个方向上分解 分别记为 人的角速度在三个方向上可以分解为 图 2 人体三维坐标系 2 加速度阈值特征分析 人在跌倒的过程中加速度会发生突变 加速度的幅值 SVM 是一重要参数 可 以通过设定 SVM 的阈值来区分剧烈运动和缓慢运动 a 前倒 b 侧倒 c 后倒 图 3 几种跌倒动作 a 走 b 跑 c 走跑变换 图 4 几种 ADL 动作 经过分析 几种跌倒动作和近似跌倒动作的 SVM 数据如图 2 图 3 所示 2 通过实验分析 走路时的 SVM 值都在 10m s 2 附近浮动 跌倒时 SVM 图会有一 个短暂的波峰 我们将该 SVM 的峰值设定为 23 4m s 2 现实生活中 运动可分为剧烈运动和非剧烈运动 因个体差异 每个人的阈 值都不同 通过设定固定阈值是不现实的 但这些动作可通过设定阈值区间来区 分 具体实现如下 设定 SVM 阈值为 R1 和 R2 R1 为上限 R2 为陀螺仪判断的 运动阈值 三轴加速度传感器采样后计算 SVM 值 超过阈值 R1 标记为 1 未超 过标记为 0 将其存在队列中 当队列中有若干个 1 时 表示日常活动中的剧烈 运动 有若干个 0 时 则表示正在进行非剧烈运动 当队列中排在前面的为 1 其余数据为 0 时 则表示有可能跌倒 3 人体倾角阈值分析 人体在发生跌倒时 短时间内身体角度发生大幅度的变化 这就构成了报 警的条件 为了防止误判 可将加速度 SVM 阈值和倾角阈值结合起来 进行周 期性的采样 当人体倾角数据超过阈值时 判断加速度是否超过阈值 运动传感器芯片可选用 MPU6050 其里面已结合了加速度计和陀螺仪 不用再 去融合角速度和加速度 2 4 4 跌倒检测算法的分析和实现跌倒检测算法的分析和实现 第一步 传感器采样 以秒为单位 采集加速度传感器数据 及 计算出单位时间的合加速度和合角速度 并将其保存到 队列中 第二步 处理 1s 内产生的合加速度队列 判断加速度是否大于阈值 如果 大于阈值则转入第三步 否则继续判断 1s 内的合加速度 直到队列结束 返回 第一步 重新开始检测 第三步 处理 1s 内产生的和角速度队列 判断合角速度是否大于阈值 如 果大于阈值则转入第四步 否则继续判断 1s 内的合角速度 直达队列结束 返 回第一步 重新开始检测 第四步 设定一个时间为 5s 的定时器 在 5s 内生成 N 条数据 将数据进行 线性拟合得出相似度 S 第五步 将读出的数据进行线性拟合 利用最小二乘法线性拟合 y ax b 得 到线性拟合离散点 最后利用公式 求出相似度 S 判断 S 和阈 值 若 S 则转入第六步 否则返回第一步 3 第六步 人体发生跌倒 启动报警模块 发出求救信号 图 5 跌倒检测流程 2 GPS 定位系统设计 利用 GPS 定位和监控管理系统 可在老人遇有跌倒险情或发生意外事故 时进行紧急援助 设定 GPS 模块来实现 GPS 定位功能 GPS 模块整合灵敏度 高功耗低 具有高效的抗干扰能力 有利于准确及时定位老人的位置 GPS 通过计算与每个卫星的伪距离 采用距离交会法得出接收机的经度 维度 高度和时间修正这四个参数 在 GPS 观测中 利用三维坐标中的距离公式 通过 3 颗卫星 就可以组成 3 个方程式解出观测点的位。
