摘 要： 針對老年人意外跌倒的問題，設(shè)計了一種新型的可穿戴式跌倒檢測系統(tǒng),。利用慣性測量單元（Inertial Measurement Unit,，IMU）對人體的6個自由度（Directions of Free，DoF）參數(shù)進行測量,，通過跌倒檢測算法分析自由度數(shù)據(jù),，及時檢測出跌倒，并將報警信息通過低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy,，BLE）發(fā)送到智能手機等終端,。對不同的跌倒情況進行一系列的試驗，測試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)可以有效地檢測到意外跌倒事件并發(fā)出報警信息,，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞： 意外跌倒,；慣性測量單元,；跌倒檢測算法；低功耗藍(lán)牙
0 引言
由于體質(zhì)的下降和生理機能的衰退,，老年人容易發(fā)生意外跌倒,，意外跌倒發(fā)生后，如果不能及時獲得救助,，甚至可能危及生命安全,。隨著人口老齡化社會的到來，老年人的意外跌倒問題已成為十分重要的醫(yī)療和社會問題,。跌倒檢測系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠準(zhǔn)確并及時地檢測到跌倒的發(fā)生，能夠?qū)⑵渑c日?；顒樱ˋctivity in Daily Life,，ADL）相區(qū)分，并在檢測到跌倒時發(fā)出報警信號,，從而保障老年人的安全和健康[1],。目前，針對跌倒的檢測方法主要有3種：視頻監(jiān)測法,、音頻和振動檢測法,、可穿戴式裝置檢測法?；谌S加速度傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)成為目前國內(nèi)外研究的主要方向,，加速度閾值法是常用的跌倒判定方法[2]?？纱┐髟O(shè)備外形小巧,，有著優(yōu)良的電池壽命。另外，隨著智能終端上BLE技術(shù)的普及,，以智能終端為中心,，以穿戴設(shè)備為應(yīng)用外設(shè)，以BLE為數(shù)據(jù)通信鏈路的可穿戴系統(tǒng)具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>
1 系統(tǒng)設(shè)計
本文設(shè)計了一種基于BLE的跌倒檢測系統(tǒng),，系統(tǒng)采用InvenSense公司的MPU-6050 IMU測量人活動時的三維加速度和三維角速度共6個DoF的數(shù)據(jù),。再根據(jù)這些數(shù)據(jù)并結(jié)合跌倒檢測算法進行處理和分析，從而判定是否發(fā)生跌倒,。最后,，通過Nordic公司的nRF51822 BLE片上系統(tǒng)將檢測到的報警信號傳輸?shù)街悄芙K端，實現(xiàn)跌倒的檢測和報警信號的獲取,。
跌倒檢測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集,、跌倒檢測算法和信息傳輸。其中,，數(shù)據(jù)采集涉及MPU-6050的工作配置以及MPU-6050與nRF51822 BLE片上系統(tǒng)的I2C數(shù)字通信接口的實現(xiàn),。跌倒檢測算法涉及算法的原理與具體實現(xiàn)流程。信息傳輸涉及BLE與智能終端之間數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn),。其中,，nRF51822片上系統(tǒng)集成了Cortex-M0內(nèi)核和BLE模塊。跌倒檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
MPU-6050與nRF51822可實現(xiàn)單板集成,，外形小巧易于穿戴使用。穿戴位置可選擇腰腹部位,，盡可能減少日?；顒訉ο到y(tǒng)的影響。
1.1 nRF51822 BLE片上系統(tǒng)
BLE繼承了傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)在無線連接上的固有優(yōu)勢,，同時增加了高速和低功耗的特性,。BLE的核心是低功耗技術(shù)，契合了可穿戴設(shè)備的技術(shù)需求,。
nRF51822 BLE片上系統(tǒng)集成了32位的Cortex-M0內(nèi)核,，256 KB Flash和16 KB RAM，2.4 GHz射頻模塊,，定時器/計數(shù)器以及模擬與數(shù)字外設(shè)等,。其中射頻模塊支持BLE。另外,，Nordic公司提供了完整的BLE協(xié)議棧解決方案,，它集成了低功耗的控制器和主機，并提供了在片上系統(tǒng)（System on Chip,，SoC）上開發(fā)BLE應(yīng)用的完整且靈活的應(yīng)用程序接口（Application Program Interface,，API）[3],。用戶只需定義和實現(xiàn)BLE應(yīng)用的通用接入規(guī)范（Generic Access Profile，GAP）層和通用屬性規(guī)范（Generic Attribute Profile,，GATT）層,，并根據(jù)協(xié)議棧提供的應(yīng)用接口實現(xiàn)短距離的BLE無線通信。
1.2 MPU-6050 IMU
跌倒檢測系統(tǒng)通過MPU-6050 IMU采集用戶運動姿態(tài)數(shù)據(jù),，即三維加速度和三維角速度共6個DoF的數(shù)據(jù),，如圖2所示。MPU-6050工作模式的配置以及用戶DoF數(shù)據(jù)的獲取均需要對其內(nèi)部寄存器進行讀或?qū)懖僮?，而上述的讀或?qū)懖僮骶莕RF51822片上系統(tǒng)通過與MPU-6050之間的I2C數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)的,。
MPU-6050是InvenSense公司推出的一款6軸整合型運動處理芯片，其內(nèi)部集成了一個三軸陀螺儀和一個三軸加速度計,。MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別采用了3個16位的ADC,，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，傳感器的測量范圍都是用戶可控的,。MPU-6050與外部設(shè)備的通信通過400 kHz的I2C數(shù)字接口,，另外它還包括一個可編程的中斷系統(tǒng)，配合實現(xiàn)對MPU-6050內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的讀取[4],。
評估人體ADL的實驗,，總結(jié)出人體軀干部分的加速度分量一般不超過±6ɡ，而角速度分量一般不超過300°/s,，選取1 kHz作為慣性傳感器的采樣輸出頻率,，MPU-6050的加速度輸出范圍配置為±8ɡ，角速度輸出范圍配置為±500°/s,。此外,，配置MPU-6050的中斷系統(tǒng)，使得6個DoF的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后在其中斷引腳上產(chǎn)生中斷信號,，這時,，nRF51822片上系統(tǒng)即可通過I2C接口讀取用戶運動姿態(tài)數(shù)據(jù)。
2 跌倒檢測算法設(shè)計
人體在發(fā)生意外跌倒時,，三維方向的加速度值會發(fā)生突變，同時人體俯仰方向的角度也會發(fā)生較大的改變,。而由于跌倒情況的差異性,，人體發(fā)生前仰、后倒和側(cè)翻時三維方向加速度變化的特點有較大差別,。因而,，通過對人體三維加速度和俯仰角速度數(shù)據(jù)提取特征量作為判決的依據(jù)，采用過程多閾值聯(lián)合判決法設(shè)計跌倒檢測算法,，閾值的選取是根據(jù)人體在跌倒過程的不同階段的加速度和俯仰角度變化的特征分別進行確定的,。跌倒過程中的加速度和俯仰角度的變化有4個主要特征：（1）失重：在跌倒的開始均會發(fā)生一段時間的近失重現(xiàn)象，加速度值發(fā)生突變，同時人體俯仰角度迅速增大,；（2）撞擊：失重之后,，人體與地面發(fā)生撞擊，產(chǎn)生極大的沖擊從而引起加速度反向劇變,，這一階段的人體也可能發(fā)生翻滾現(xiàn)象,；（3）靜止：通常撞擊發(fā)生后會出現(xiàn)短暫的靜止?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為加速度和俯仰角度維持一段時間的相對平穩(wěn)的過程,；（4）結(jié)果：跌倒發(fā)生后,，情況不嚴(yán)重時人可自行逐漸恢復(fù)站立，而一旦情況嚴(yán)重,，比如導(dǎo)致人昏迷,，人體將在很長的一段時間內(nèi)保持靜止?fàn)顟B(tài)，這是跌倒結(jié)果嚴(yán)重程度的判斷依據(jù)[5],。
2.1 提取特征量
由于跌倒可能發(fā)生在任意的方向和角度,，因而，采用合加速度作為加速度特征量,。由于三軸陀螺儀輸出的是角速度值,，人體俯仰角度變化為：
其中，（t）為角速度值,，（0,，t）內(nèi)角度變化值。
人體從失重到撞擊的過程時間極短,，一般約為1 s,，采用微元法，將1 s均分為n個單位時隙,，在單位時隙內(nèi)角速度視為線性變化,，在單位時隙內(nèi)角度變化可近似為：
其中，為k時刻的角度絕對值,。
因而跌倒的過程中人體角度變化可近似為：
綜合考慮運算量和計算精度,，選取n=50，以人體俯仰角度的變化量作為角度特征量,。
2.2 算法流程
根據(jù)跌倒過程的不同階段加速度和角度特征量依次與設(shè)定的對應(yīng)閾值進行判決,，從而判斷跌倒事件的發(fā)生以及跌倒結(jié)果的嚴(yán)重程度。具體的跌倒檢測算法實現(xiàn)流程如圖3所示,。
根據(jù)相關(guān)實驗測試,，TH1、TH2,、TH3,、TH,、t0參考取值分別為1.7ɡ、6ɡ,、0.2ɡ,、75°、10 s[6],，其中ɡ表示重力加速度常量,。算法返回跌倒事件狀態(tài)值xi∈{x1，x2,，x3},，x1、x2,、x3分別表示未發(fā)生跌倒,、跌倒不嚴(yán)重和跌倒嚴(yán)重3個事件狀態(tài)值。
3 算法實現(xiàn)與系統(tǒng)驗證
跌倒檢測算法判斷跌倒事件的發(fā)生情況并返回對應(yīng)的跌倒事件狀態(tài)值來指示跌倒的嚴(yán)重程度,。
3.1 程序結(jié)構(gòu)
跌倒檢測算法和BLE通信應(yīng)用程序均是基于Cortex-M0內(nèi)核實現(xiàn)的,。系統(tǒng)程序包括nRF51822上相關(guān)外設(shè)初始化、MPU-6050初始化及工作配置,、初始化BLE相關(guān)參數(shù),，然后開始廣播并等待事件中斷，如按鍵事件,、20 ms的用戶數(shù)據(jù)讀取定時事件和2 s的跌倒事件狀態(tài)值發(fā)送定時事件等,。
3.2 實測結(jié)果
系統(tǒng)軟件在Keil uVision4開發(fā)環(huán)境下編程實現(xiàn)，編譯鏈接后下載到nRF51822上進行跌倒實驗,。跌倒實驗包括前仰,、后倒和側(cè)翻，每組實驗還包括跌倒嚴(yán)重和不嚴(yán)重的情況,。正常情況,、跌倒不嚴(yán)重和跌倒嚴(yán)重3種事件的狀態(tài)值傳輸?shù)浇K端的結(jié)果如圖4的所示。
圖4中,，0x0064表是正常狀態(tài)值,，0x0096表是跌倒不嚴(yán)重狀態(tài)值，0x00C8表是跌倒嚴(yán)重狀態(tài)值,。
4 結(jié)論
通過對各種跌倒情況的實驗測試結(jié)果可知,，本文提出的跌倒檢測算法能正確地識別不同的跌倒事件并能判斷跌倒的嚴(yán)重程度。BLE具有高速和低功耗的特性,，其在智能手機等移動終端上加速普及,，而且最新的藍(lán)牙4.1規(guī)范極大地強化了藍(lán)牙技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用,，因而BLE在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
參考文獻(xiàn)
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[6] 趙祥欣.基于三維加速度傳感器的跌倒監(jiān)測研究[D].杭州：浙江大學(xué),，2008.