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1、 基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的人体跌倒检测系统基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的人体跌倒检测系统摘要意外摔倒已成为老年人主要的健康威胁及死亡原因。在大多数情况下，跌倒对老年人所造成的严重后果主要是由于跌倒后没有及时通知医护人员，因而未获得及时的救助。因此实现对跌倒的及时检测和报警是很重要的。传统的跌倒检测系统主要利用可穿戴于人身上的设备来采集并发送数据，在计算机端完成数据处理。这种方法需要传输大量数据，对无线网络带宽要求较高。此外，传统的方法往往采用单个惯性传感器(如加速度计)来检测人体的姿态信息，这种方法不能充分获取人体摔倒时的运动参数，因此精确度不够高，鲁棒性不够强。本论文设计了一种新型的可
2、穿戴人体跌倒检测系统，并构建了一个快速原型。快速原型利用多自由度的惯性测量单元(加速度计和陀螺仪的组合)对人的运动参数进行测量，并通过基于ARM Cortex M0内核的微控制器运行跌倒检测算法处理传感器采集到的数据。如果检测出跌倒事件，将会立即把报警信号通过低能耗蓝牙协议发送到iPad的应用程序nRF Utility上。经过实验验证，本论文构建的快速原型能够有效地检测出人体的跌倒事件并及时报警，因而达到了预期的研究目标。关键词：人体跌倒检测，惯性测量单元，低能耗蓝牙，微机电系统BODY FALL DETECTION SYSTEM BASED ON BLUETOOTH LOW ENERGY A
3、ND INERTIAL MEASUREMENT UNITABSTRACTAccidental falls compose a major health threat and cause of death for the senior citizens. In most cases, the serious consequences of falls for the elderly are due to a delay in notification to the caregivers, thus timely aid and treatment cannot be given. Therefo
4、re, it is crucial to detect and alert a fall in time. Traditional fall detection systems tend to utilize wearable devices to collect and transmit data, while the processing is done in the computer. However, in this way great amounts of data need to be transmitted, which puts forward higher demands f
5、or the bandwidth of wireless network. In addition, most of the conventional methods only take advantage of a single kind of inertial sensor (such as an accelerometer) to detect humans orientation information, which is not capable of gathering sufficient motion parameters during fall detection, thus
6、cannot guarantee high accuracy and strong robustness.In this paper, a novel wearable human fall detection system is designed, and a rapid prototype is built, which employs multi-degree of freedom Inertial Measurement Unit (IMU) which is a combination of accelerometer and gyroscope to obtain humans m
7、otion parameters. An ARM Cortex M0-based microcontroller runs fall-detection algorithm locally to process data collected by sensors. If a fall is detected, an alert signal will be sent immediately to iPads application nRF Utility using Bluetooth Low Energy (BLE) protocol. Experiments show that the r
8、apid prototype is able to detect falls effectively and send an alert in time, thus reaches expected research objectives.Key words: Body Fall Detection, Inertial Measurement Unit, Bluetooth Low Energy，Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS)目录1 绪论- 1 -1.1 引言- 1 -1.2 研究背景与现状- 1 -1.2.1人体跌倒检测的研究背景- 1 -1.2
9、.2可穿戴式跌倒检测系统的研究现状- 3 -1.3 研究意义和研究目标- 5 -1.4 论文结构与章节安排- 6 -2 可穿戴人体跌倒检测系统方案设计- 7 -2.1可穿戴人体跌倒检测系统总体框图- 7 -2.2硬件开发平台- 8 -2.2.1 电路模块简介- 8 -2.2.2 可穿戴式跌倒检测装置- 12 -2.3 软件开发环境- 13 -2.4 图形用户界面- 16 -2.5 本章小结- 16 -3 短距无线通信链路- 17 -3.1常见的短距离无线通信技术介绍- 17 -3.1.1 ZigBee- 17 -3.1.2 ANT/ANT+- 19 -3.1.3 蓝牙4.0/BLE- 20 -
10、3.1.4 ZigBee、ANT/ANT+、蓝牙4.0/BLE的比较- 23 -3.2 BLE固件S110 SoftDevice- 23 -3.2.1 S110 SoftDevice简介- 23 -3.2.2 应用于nRF51822中的S110 SoftDevice- 23 -3.2.3 S110 SoftDevice支持的配置文件和服务- 25 -3.2.4 S110 SoftDevice开启前后nRF51822片上资源的变化- 26 -3.3 本章小结- 27 -4 跌倒信息获取系统- 28 -4.1 MEMS惯性传感器简介- 28 -4.1.1 MEMS惯性传感器概述- 28 -4.1.
11、2 MEMS加速度计- 28 -4.1.3 MEMS陀螺仪- 29 -4.1.4 MEMS惯性测量单元- 29 -4.2 MPU6050简介- 30 -4.3 I2C接口协议- 31 -4.4 MPU6050基本功能测试- 32 -4.4.1 MPU6050主要寄存器描述- 32 -4.4.2 MPU6050初始化过程- 37 -4.4.3 读取MPU6050测量结果- 37 -4.5 惯性测量单元数据融合- 40 -4.5.1 数据融合背景- 40 -4.5.2 常用的数据融合算法- 40 -4.5.3 本论文所采用的数据融合算法- 41 -4.6 本章小结- 43 -5 人体跌倒检测算法设
12、计及系统实现- 44 -5.1 跌倒检测算法介绍- 44 -5.1.1 跌倒时的运动特征变化- 44 -5.1.2 基于双阈值检测的跌倒检测算法- 46 -5.2 跌倒检测快速原型的实现- 47 -5.2.1 心律计配置文件简介- 47 -5.2.2 借助于心律计配置文件实现的跌倒检测- 47 -5.2.3 程序流程图- 48 -5.2.4 系统实际工作效果测试- 50 -5.3 本章小结- 52 -6 总结与展望- 53 -6.1 研究工作总结- 53 -6.2 技术展望- 54 -参考文献- 55 -附录- 57 -附录1: nRF51822 EK评估板电路原理图- 57 -附录2：软件代
13、码- 60 -致谢- 64 -附件：译文及原文- 65 -附件一：原文一- 65 -附件二：译文一- 70 -附件三：原文二- 73 -附件四：译文二- 78 -IV 基于低能耗蓝牙和惯性测量单元的人体跌倒检测系统1 绪论1.1 引言由于自理能力的下降，老年人经常会出现意外跌倒的情况，这种意外跌倒对老年人的生命健康构成了严重威胁。在我国，跌倒是65岁以上老年人的首位伤害死因。统计数据显示，很多由于跌倒而造成的死亡案例并非直接缘于跌倒本身，而是因为跌倒之后没有得到及时的救助。除了跌倒所造成的直接身体伤害之外，跌倒带来的另一个潜在的、容易被忽视的严重问题是老年人生活质量的降低老年人活动的减少(或称
14、为“活动能力的减弱”)主要与跌倒，以及对跌倒的恐惧有关。老年人在跌倒之后不愿外出活动，而更倾向于呆在室内，这种长时间的静止加速了衰老，削弱了老年人自主运动的能力，反而增加了日后发生跌倒的可能性，这已经成为一个恶性循环。跌倒不仅对老年人自身造成了严重的负面影响，还极大地增加了社会的医疗负担。根据统计，每年跌倒造成的直接医疗费用在50亿元人民币以上，社会代价约为160180亿人民币。西方国家多年前早已步入老龄化阶段，我国很多大城市也出现老龄化趋势3。随着老龄化社会的到来，对于跌倒的检测和报警正日益成为一个紧迫的问题。因而，采用传感器获取老年人运动时的体态参数，并对跌倒进行准确识别和及时报警具有重要
15、的研究意义。1.2 研究背景与现状1.2.1人体跌倒检测的研究背景跌倒检测装置和技术的研究是近年来医疗健康领域的一个热门研究方向，这方面的研究不仅具有巨大的市场需求，而且具有很强的社会价值。跌倒检测装置根据采用的传感器的类型和方式，主要分为以下三种：（1） 可穿戴式装置(Wearable Device) 可穿戴式装置，即传感器位于跌倒检测装置内，当人体佩戴装置运动时，可以通过传感器采集到的数据判断人的身体姿势和运动状态，从而判断出跌倒等事件。如Clifford等人设计了一个可穿戴于人身上的跌倒检测装置，并申请了专利。这套装置由检测单元(包含一组加速度计)、处理器和无线发射模块组成，加速度计向处理器提供加速度测量结果，处理器将测量结果与一定阈值相比较，如果判断出发生跌倒事件，则将报警信号通过无线发送模块发送至远程接收端。（2） 环境探测装置 (Ambience Device)环境探测
