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1、三轴加速度传感器在跌倒检测中的应用前言人们在跌倒后会面临双重危险。显而易见的是跌倒本身可能对人体产生伤害;另外，如 果跌倒后不能得到及时的救助，可能会使结果更加恶化。例如，许多老年人由于其身体比较 虚弱，自理能力和自我保护能力下降，常常会发生意外跌倒，如果得不到及时的救助，这种 跌倒可能会导致非常严重的后果。有资料显示，很多严重的后果并不是由于跌倒直接造成的， 而是由于跌倒后，未得到及时的处理和救护。当出现跌倒情况时，如果能够及时地通知到救 助人员，将会大大地减轻由于跌倒而造成的危害。不仅是对老人，在很多其他情况下，跌倒的报警也是非常有帮助的，尤其是从比较高的 地方跌倒下来的时候。比如人们在登
2、山，建筑，擦窗户，刷油漆和修理屋顶的时候。这促使人们越来越热衷于对跌倒检测以及跌倒预报仪器的研制。近年来，随着iMEMS? 加速度传感器技术的发展，使得设计基于三轴加速度传感器的跌倒检测器成为可能。这种跌 倒检测器的基本原理是通过测量佩戴该仪器的个体在运动过程中的三个正交方向的加速度 变化来感知其身体姿态的变化，并通过算法分析判断该个体是否发生跌倒情况。当个体发生 跌倒时，仪器能够配合GPS模块以及无线发送模块对这一情况进行定位及报警，以便获得相 应的救助。而跌倒检测器的核心部分就是判断跌倒情况是否发生的检测原理及算法。ADXL3451是ADI公司的一款3轴、数字输出的加速度传感器。本文将在研
3、究跌倒检测 原理的基础上，提出一种基于ADXL345的新型跌倒检测解决方案。iMEMS加速度传感器ADXL345iMEMS半导体技术把微型机械结构与电子电路集成在同一颗芯片上。iMEMS加速度传感 器就是利用这种技术，实现对单轴、双轴甚至三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出的 传感器。根据不同的应用，加速度传感器的测量范围从几g到几十g不等。数字输出的加速 度传感器还会集成多种中断模式。这些特性可以为用户提供更加方便灵活的解决方案。ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技术的3轴、数字输出加速度传感器。ADXL345 具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可变的测量
4、范围;最高13bit分辨率；固定的4mg/LSB灵 敏度；3mm*5mm*1mm超小封装;40-145uA超低功耗;标准的I2C或SPI数字接口 ；32级FIFO存 储；以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性，使得ADXL345有 助于大大简化跌倒检测算法，使其成为一款非常适合用于跌倒检测器应用的加速度传感器。本文给出的跌倒检测解决方案，完全基于ADXL345内部的运动状态检测功能和中断功能， 甚至不需要对加速度的具体数值进行实时读取和复杂的计算操作，可以使算法的复杂度降至 最低。中断系统图1给出了 ADXL345的系统框图及管脚定义。POWER MAMAGEMENT5
5、DAVS3-AXIS. &EN5*RS DOJAL7 ADPEsDIGITALFILTERCONTPOLANDINTERRUPTLOGICn nn-nn_n JI 2 3 4 5 - 6I-J12M1OSDA/SDI/SDFOSDOrA-LT ADDRESS图1 ADXL345系统框图及管脚定义ADXL345具有两个可编程的中断管脚：Inti和Int2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共计 8 个中断源。每个中断源可以独立地使能或禁用，还可以灵活地选择是否映射到
6、Inti或Int2中断管脚。所有的功能都可以同时使用，只是某些功能可能需要共用中断管脚。中断功能通过INT_ENABLE寄存器的相应位来选择使能或禁用，通过INT_MAP寄存器的相应位来选择映射 到Inti管脚或Int2管脚。中断功能的具体定义如下：1. Data Ready当有新的数据产生时，Data Ready中断置位;当没有新的数据时，Data_Ready中断清除。2. Single_Tap当加速度值超过一定门限(THRESH_TAP)并且持续时间小于一定时间范 围(DUR)的时候，Single_Tap中断置位。3. Double_Tap当第一次Single_Tap事件发生后，在一定时间
7、(LATENT)之后，并在- 定时间(WINDOW)之内，又发生第二次Single_Tap事件时，Double _Tap中断置位。7站i pJSU& WBMa.步行上楼b.步行下楼一*出sl!13*4.营苴山 3c.坐下d.起立图3不同运动过程中的加速度变化曲线由于老年人的运动相对比较慢，所以在普通的步行过程中，加速度变化不会很大。最明 显的加速度变化就是在坐下动作中Y轴加速度（和加速度矢量和）上有一个超过3g的尖峰， 这个尖峰是由于身体与椅子接触而产生的。而跌倒过程中的加速度变化则完全不同。图4给出的是意外跌倒过程中的加速度变化曲 线。通过图4和图3的比较，可以发现跌倒过程中的加速度变化有4
8、个主要特征，这可以作 为跌倒检测的准则。这4个特这在图4中以红色的方框标注，下面将对其逐一进行详细介绍。E&suUJn_ltn图4跌倒过程中的加速度变化曲线1. 失重：在跌倒的开始都会发生一定的失重现象。在自由落体的下降过程，这个现象会更 加明显，加速度的矢量和会降低到接近0g,持续时间与自由落体的高度有关。对于一般的 跌倒，失重现象虽然不会有像自由落体那么明显，但也会发生合加速度小于1g的情况（通常 情况下合加速度应大于1g）。因此，这可以作为跌倒状态的第一个判断依据。可以由ADXL345 的Free_Fall中断来检测。2. 撞击：失重之后，人体发生跌倒的时候会与地面或其他物体发生撞击，在
9、加速度曲 线中会产生一个很大的冲击。这个冲击可以通过ADXL345的Activity中断来检测。因此， Free_Fall中断之后，紧接着产生Activity中断是跌倒状态的第二个判断依据。3. 静止：通常，人体在跌倒后，也就是撞击发生之后，不可能马上起来，会有短暂的 静止状态（如果人因为跌倒而导致昏迷，甚至可能是较长时间的静止）。表现在加速度曲线上 就是会有一段时间的平稳。这可以通过ADXL345的Inactivity中断来检测。因此，Activity 中断之后的Inactivity中断是跌倒状态的第三个判断依据。4. 与初始状态比较：跌倒之后，人体会发生翻转，因此人体的方向会与原先静止站立 的姿态（初始状态）不同。这使得跌倒之后的静止状态下的三轴加速度数值与初始状态下的三 轴加速度不同（见图4）。假设跌倒检测器固定在被测人体上的某个部位，这样初始状态下的 三轴加速度数值可以认为是已知的（本例中，初始状态为：X轴0g，Y轴-1g，Z轴0g）。读 取Inactivity中断之后的三轴加速度数据，并与初始状态
