1、2008年第27卷第9期 傳感器與微系統(tǒng)(T ransducer and M i crosyste m T echnolog i es基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測裝置設計*李 冬,梁 山(重慶大學自動化學院,重慶400044摘 要:為了提供老年人安全保障和保護用戶隱私,設計了一種基于加速度傳感器的跌倒檢測裝置。針對獨居老人的特點,結合微傳感器、數(shù)字信號處理以及無線傳輸?shù)燃夹g,利用人體運動產生的加速度,提出了一種魯棒的跌倒算法。該裝置在人體佩戴實驗中,可以區(qū)分出正常人體活動與跌倒事件,自動發(fā)出跌倒報警信號,從而使用戶在盡可能短的時間內得到醫(yī)療救護。關鍵詞:跌倒檢測;加速度傳感器;遠程監(jiān)護;老

2、年人中圖分類號:TP212.9 文獻標識碼:A 文章編號:1000-9787(200809-0085-04 Design of fall detection device for el derly peoplebased on accelero m eter*LI Dong,LI A NG Shan(College of Auto mation,Chongq ing Un iver sity,Chongq ing400044,Ch i naAbstract:A fall detection dev i ce based on acce l e ro m e ter is designed t

3、o safe l y and accura tely m on itor the user w hil e still all ow ing comp l e te pr i vacy and security.Cons i deri ng t he character istic of e l der l y peop l e,a fa ll de tecti on dev i ce hard w are is desi gned based on acce lerom eter,usi ng m icro senso rs,d i g ita l data pro cessi ng and

4、 w ireless techno log ies.By utilizi ng acce l eration values correspond i ng to t he use r s body mo ti on,a robust a l go rith m i s developed to accurately de tect a fal.l Dur i ng fi e l d experi m ent and ana l y si s,th i s detecti on syste m can d isti nguish fa ll event fro m no r m al activ

5、 i ties,and raise fall alar m auto m aticall y to get a shortened i nterva l o f the arrival o f assistance.K ey word s:fa ll detecti on;acce l e rome ter;telecare;e l derly people0 引 言老年人跌倒發(fā)生率高、后果嚴重,是高齡老年人首位傷害死因。在我國人群中跌倒在意外傷害死因順位中排在第4位,而在65歲以上的老年人中則位居首位,并隨年齡的增加跌倒的死亡率急劇上升,在85歲以上的老年人中達到了高峰1。跌倒檢測系統(tǒng)實際是

6、遠程醫(yī)療系統(tǒng)中家庭終端部分的一種實現(xiàn)方式2,它涵蓋了多個學科的研究領域,包括生理信號檢測與處理、信號特征提取、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ苣K。通過對遠端對象動作情況、生理功能的監(jiān)測,為其提供適當?shù)淖o理與醫(yī)療服務。目前,對于跌倒監(jiān)測主要有3類基本方法3:1基于視頻圖像的分析,對象的實時運動由攝像頭監(jiān)測,其不足之處在于不能保證用戶的隱私安全4;2基于聲頻信號的分析,跌倒事件由分析沖擊導致振動的頻率部分判斷,但其安裝比較復雜,資金投入也比較大5;3基于穿戴式的裝置檢測。考慮用戶的隱私權和盡可能減少干擾用戶生活方式,穿戴式的裝置是最適合的,其中,用于跌倒檢測的傳感器主要有加速度傳感器和傾斜計6,但主要存在的問

7、題是在發(fā)生側倒或最后不是平躺在地面時的情況判斷不太理想。針對以上問題,本文設計了一種基于加速度傳感器的檢測裝置的硬件設計,提出了魯棒的跌倒算法,僅用加速度值便可檢測出沖擊量與人體傾斜角度,判斷出跌倒事件,并給出實驗結果與結論。1 系統(tǒng)設計系統(tǒng)總體設計模塊如圖1所示:前2個方模塊佩戴在用戶身上,用來感測和判斷用戶狀況,并以無線方式將消息發(fā)送出去;第三,四個電路模塊可放置于用戶住處或者RF 接收范圍的的任何地方,用來接收、處理RF的信號,然后,通過以太網(wǎng)或G S M網(wǎng)絡,將信息傳至醫(yī)院或親屬住處。收稿日期:2008-02-02*基金項目:重慶市自然科學基金資助項目(2007bb219485傳感器與

8、微系統(tǒng) 第27卷 圖1 系統(tǒng)總構架F i g 1 O verall architecture of syste m1.1 硬件部分設計本裝置基于無線傳感器網(wǎng)絡的M ica2和T i nyOS 節(jié)點,由U C Be rkeley 開發(fā)的一款針對于低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡研究平臺6。M ica2節(jié)點裝配了A t m e l ATm eg a 128L 微處理器,4kB 的RAM 和一個433MH z 頻率數(shù)據(jù)轉換器,在300m 的有效覆蓋范圍內傳輸速度可達38.4kB /s ,全部由2節(jié)AA 電池供電。跌倒檢測系統(tǒng)可以分為5個子部分:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、電源部分,其硬件結構如圖2

9、所示。 圖2 硬件結構Fig 2 H ardware structure數(shù)據(jù)傳輸部分包含有線傳輸和無線傳輸2種方案,考慮人體佩戴方便的需要,無線方式是必要的。數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、專家系統(tǒng)等模塊。1.2 信號處理首先,從信號監(jiān)測模塊輸出的數(shù)字信號通過高斯濾波器濾掉高頻噪音,然后,通過動態(tài)動作模式分析監(jiān)測跌倒事件。本文在信號調理中應用了小波變換理論進行濾波,并得到理想的頻率范圍7。在離散小波變換中,信號f (n通過2個互補的濾波器 低通濾波器g 和高通濾波器h ,被分成近似系數(shù)V 1和細節(jié)系數(shù)W 18。前者是大范圍的,低頻部分;后者是小范圍的,高頻部分。然后,再將近似系數(shù)分為第二層

10、近似系數(shù)V 2和細節(jié)系數(shù)W 2。系數(shù)g 與尺度函數(shù) 相關,系數(shù)h 與小波函數(shù) 相關。函數(shù)如下j ,m (n =2-j 2 (2-jn -m ,(1 j ,m (n =2-j2 (2-j n -m .(2通過小波多率分析,信號可以從近似系數(shù)和細節(jié)系數(shù)中重建。這是對特定頻率范圍內的信號部分的提取9。對01,!,0J -1,W J 和0J 進行反變換可以得到第J 個細節(jié)信號DJ 。同樣,近似信號S J 也可以得到,通過對01,02,!,0J 和V J 進行反變換。通過這種方式重建了原始信號中理想的頻率范圍,而其他頻率部分就被濾掉了。2 跌倒檢測算法設計2.1 建立三維軀體動作模型在執(zhí)行算法的任何數(shù)據(jù)

11、分析之前,應先對裝置進行校準,從而才能準確地分析數(shù)據(jù)。具體的校準方式為通過測定1g n 的重力加速度值,分別將加速度傳感器的X,Y,Z 軸放到水平位置,調整使之值為0。加速度傳感器得到的加速度值包含2部分:一個是地球重力部分,另一個是由人體動作引起的慣性部分。這里,兩部分是同時存在的。建立三維軀體動作模型 以三維空間內的加速度向量為代表10,根據(jù)物理學的基本理論,特別是重力,加速度和動作之間的相互關系和加速度傳感器實際輸出的分析(它反映了各種動作,包括站立、行走、跌倒模型,設加速度輸出為在三維空間中的向量A,如圖3。圖3 球坐標F i g 3 Spherica l plane向量A 可表示成為

12、A =(A X ,A Y ,A Z =|A |U A .(3其中,A X ,A Y ,A Z 為向量A 分別在X,Y,Z 軸上的投影,|A |是幅值,U A 是單位向量。而人體傾斜角度則可由以下的公式計算出deg ree =180#cos -1ag n .(4其中,a 為A 的加速度值,g n 為9.81m /s 2。2.2 算法設計根據(jù)S i gna l Q uest 關于老年人跌倒的研究10,大多數(shù)能被歸為簡單的跌倒(加速度運動清楚地表明了跌倒與使用者以平躺在地面上結束;復雜的跌倒(加速度運動復雜,且或使用者并非以平躺在地板平面上結束,以及未跌倒(加速度運動引起誤報。對老年人的生活狀況進行

13、分析,可以區(qū)分出跌倒類型,從而在設計跌倒監(jiān)測算法時,根據(jù)這些具體類型設計相應的檢測策略。流程圖4主要是從整體上對跌倒的檢測判斷過程進行描述。圖4(b為圖4(a中I 部分的詳細流程,其作用就是檢測老人加速度的大小,確定有無加速度超過正常范圍。在86第9期 李 冬,等:基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測裝置設計 有加速度超過此范圍就進行下一步判斷;若無加速度超過正常范圍,就再重新檢測。圖4(a中II 部分主要是在已經檢測到有加速度超過正常范圍時,對三維空間加速度的判定。其判定結果有:1加速度與水平面平行;2加速度與Z 軸的夾角在正常范圍內;3加速度與Z 軸的夾角超過正常范圍。在跌倒被探測到發(fā)出跌倒信

14、號后, 延遲一定時間又繼續(xù)重新檢查信號。圖4 跌倒檢測算法流程Fig 4 Detecti ng process of fa ll3 實驗結果為了檢驗裝置和算法的可靠性與正確率,做了4種實驗:1正常行走或站立;2快速的坐下;3向前、向后,側向跌倒;4跌倒后未平躺。日常行動實驗,如,行走和快速坐下時請一位69歲的老人佩戴進行;在跌倒實驗時,出于安全性考慮,未請老年人參與,而是由3位學生在墊子上完成的。1實驗者站立或者以不同的速率行走。在25次實驗中,算法可識別出無跌倒事件發(fā)生,無警報發(fā)出,實驗結果如圖5 所示。圖5 行走時加速度記錄情況F ig 5 Da talog wh il e wa l ki

15、 ng2實驗者盡可能的快速的坐下,但保持上身的直立。在15次實驗中,盡管開始時檢測到一個大的沖量,但在隨后的傾向分析中檢測到恢復了直立狀態(tài),因此,無必要發(fā)出警報,如圖6 所示。圖6 坐下時加速度記錄情況F ig 6 Da t a log wh il e sitti ng3實驗者以各種方向摔向地板:前倒、后倒、側倒。為了盡可能地模擬真實情形,分成2種情形:第一種為跌倒后迅速站起,返回直立姿態(tài);第二種為跌倒后,實驗者保持躺著,如圖7 所示。圖7 跌倒時加速度記錄情況F i g 7 D ata l og while falling4跌倒后迅速起來的情形。在10次實驗中,算法正確地區(qū)分了2種情形:一種

16、跌倒并躺下;一種跌倒但迅速返回直立狀態(tài)。最后,做了讓實驗者慢慢地躺下的情形,測試算法的表現(xiàn)。在這種情況下,系統(tǒng)并沒有將它當成跌倒。實驗結果如表1所示。可見該跌倒裝置能正確地區(qū)分絕大多數(shù)的跌倒事件,發(fā)出警報,達到了預期的效果。表1 實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experi m enta l da ta事 件實驗數(shù)報警未報警正確率(%正常行走25025100快速的坐下15015100向前跌倒30300100向后跌倒24123 95.8側向跌倒15015100跌倒后迅速起來551004 結束語本文針對獨居老人的特點,結合微傳感器、數(shù)字信號處87傳感器與微系統(tǒng) 第27卷理及無線傳輸?shù)燃夹g,利用人體運動產生的加

17、速度,設計了一種基于加速度傳感器的跌倒檢測裝置,可以為老年人提供安全保障與準確的監(jiān)測,同時,保護了用戶的隱私。在實際佩戴實驗中,證明了該跌倒算法的魯棒性。對獨居老年人和中風患者的日常生活狀態(tài)實施遠程監(jiān)護,不僅能提高醫(yī)護人員的救助效率和患者的生活質量,還可以評估監(jiān)護對象的獨立生活能力和健康狀況,也可以使老人在熟悉的環(huán)境(家中得到及時的救護,減小老人的心理壓力,減少跌倒發(fā)生的可能性。參考文獻:1 中華人民共和國衛(wèi)生部.2003年中國衛(wèi)生統(tǒng)計年鑒M .北京:中國協(xié)和醫(yī)科大學出版社,2003:215-249.2 Ek l und M,H ansen T ,Sastry S .Infor m ati o

18、n tec hno l ogy for ass i stedli vi ng at hom e :Bu ildi ng a w ireless infrastruct u re f or as s ist ed li v i ngCSubm itted t o t h e 27t h Annual Internati onalC on f eren ce of the EM BS,2005:127-132.3 Luo Suhua,i Hu Q i ngm ao .A dyna m i c m otion pattern anal ys i s app roac h t o fall detec

19、tionC I EEE Internati onalW ork s hop on B i o m ed icalC i rcu i ts &Syste m s ,2004:53-56.4 B ro m il ey P A ,Cou rtney P ,Thacker N A.Des i gn of a vi sual sys t e mfor detecti ng natural even ts by t h e u s e of an i ndependen t v i sual esti m ate :A hu m an f all detectorC Emp irical E va

20、l u ati on M et h ods i n Co m puter V i s i on,2002:231-235.5 DoughtyK,C a m eron K .Pri m ary and secondary sensi ng techn i quesfor f all detection i n the h o m eR.P roceed i ngs ofH ospitalw ithout W all s ,C i ty Un i vers i ty ,London,1999:104-116.6 Barnes N M,Edw ards N H,Rose D A D,et a.l L

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22、 i ci n e and B i ology 27th Annu al C on f eren ce ,Shangha,i Ch i na ,2005:1203-1209.8 Nyan M N ,Francis E H,M an i m aran M,et a.l Gar m en t based detection of falls and activities of dail y livi ng us i ng 3 ax i s M EM S acce lerometerJ.J ournal of Phys i cs :Con fere n ce Seri es ,2006(34:105

23、9-1067.9 M all at S G.A t heory for m ulti resol u tion si gnal deco mpos i ti on:Thew avelet representationJ.IEEE Trans Pattern AnalM ac h i n e In tel,l 1989,11(7:674-693.10Bajcsy R ,Chen J ,Kw ong K ,et a.l Fall det ecti on us i ng w i rel esssensor net w ork sCSubm itted t o the 27th Annual Inte

24、rnati onal Con ference of the EM BS,2005:759-765.作者簡介:李 冬(1982-,男,四川成都人,碩士研究生,主要研究方向為老年人跌倒檢測系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡等。(上接第84頁 圖4 閉環(huán)檢測系統(tǒng)模型圖 F i g 5 Com paris on curves o f output si gna l andF i g 4 M odel di agram o f cl osed loop detecti on syste mi nput angular ra te signal of gyroscope參考文獻:1 施 芹,裘安萍,蘇 巖,等.硅微陀螺儀的誤差分析J.傳感技術學報,2006,19(5:2182-2185.2 李榮冰,劉建業(yè),曾慶化,等.基于MEM S 技術的微型慣性