摘要：跌倒探測(cè)儀適用于自理能力和自我保護(hù)能力比較差的老年人和兒童，它通過(guò)測(cè)量佩戴該儀器的個(gè)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的三個(gè)正交方向上的加速度來(lái)感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進(jìn)行報(bào)警和發(fā)布。

　　跌倒探測(cè)儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。其中傳感器測(cè)量對(duì)象的加速度矢量；處理器模塊負(fù)責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對(duì)象的身體姿態(tài)并控制報(bào)警及報(bào)警信息的發(fā)布；電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負(fù)責(zé)將報(bào)警信息通過(guò)一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　人體運(yùn)動(dòng)模型的建立

　　在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，重力將成為影響這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程的主要因素。跌倒過(guò)程中，對(duì)象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。

　　建立直角坐標(biāo)系，x、y、z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成x、y、z三個(gè)方向上的分量變化。使用者正確佩戴跌倒探測(cè)器且處于靜止或水平勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，z軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個(gè)方向上加速度為0。當(dāng)佩戴者跌倒時(shí)，如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現(xiàn)，理想情況下z軸分量發(fā)生從最大值（1g）變化為0，而x或y軸的分量則從0變化為最大（1g），具體是x軸還是y軸發(fā)生這一變化，則由佩戴者跌倒后的姿態(tài)決定--平臥為x軸變化，側(cè)臥為y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間，則x軸和y軸的加速度分量將滿足\sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（站立情況下這個(gè)矢量和為0），仍然能夠通過(guò)計(jì)算分析得出與站立不同的加速度分布。

　
　　但是在實(shí)際情況中，僅根據(jù)加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因，容易出現(xiàn)很多假陽(yáng)性（檢測(cè)到跌倒而實(shí)際沒(méi)有跌倒）或假陰性（未檢測(cè)到跌倒而實(shí)際出現(xiàn)跌倒）。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。一般來(lái)說(shuō)，假陽(yáng)性情況可以通過(guò)對(duì)加速度在時(shí)間域進(jìn)行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。因此，建立人體跌倒過(guò)程的運(yùn)動(dòng)模型，提取跌倒過(guò)程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測(cè)跌倒并發(fā)布報(bào)警信息的關(guān)鍵。

　　無(wú)線通信及空間定位信息獲取

　　跌倒報(bào)警必須及時(shí)送達(dá)救助中心才能夠保證救助的有效性，報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布要求包含兩層含意：其一是報(bào)警信息不會(huì)因?yàn)榈固綔y(cè)器佩戴者的行動(dòng)和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報(bào)警信息中應(yīng)該包括佩戴者跌倒的地理位置內(nèi)容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。

　　采用無(wú)線通信的方式發(fā)布跌倒報(bào)警信息非常適合能夠自由行動(dòng)的配戴者，無(wú)線通信技術(shù)從技術(shù)成熟度、運(yùn)行成本角度也都非常適用。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和成本方面考慮，選擇cdma通信方式更加適合跌倒探測(cè)器設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　需求分析

　　身體姿態(tài)監(jiān)測(cè)

　　通過(guò)三軸加速度傳感器的測(cè)量值，利用相應(yīng)算法計(jì)算出佩戴者的身體姿態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)跌倒動(dòng)作時(shí)，能夠觸發(fā)mcu中斷處理。

　　報(bào)警控制機(jī)制

　　使用者可根據(jù)自己的身體狀況選擇是否報(bào)警，當(dāng)使用者已無(wú)法控制自己行為時(shí)，本產(chǎn)品應(yīng)能夠保證自動(dòng)實(shí)施報(bào)警。

　　計(jì)步器

　　在一般佩戴過(guò)程中，用戶可使用該項(xiàng)功能，為自己的步行健身活動(dòng)提供量化的參考信息。

　　空間定位

　　在實(shí)施跌倒報(bào)警時(shí)，應(yīng)為報(bào)警信息接受方提供報(bào)警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時(shí)到達(dá)。

　　無(wú)線通訊

　　能夠?qū)?bào)警和定位信息通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)较嚓P(guān)人員處。

　　供電采用鋰電池

　　部分信息顯示使用液晶屏

　　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)跌倒探測(cè)器的需求分析，具體的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)采用如圖2所示的架構(gòu)。該架構(gòu)基于高性能、低功耗mcu--mc9s08qg8，通過(guò)獲取加速度傳感器的采集信息，經(jīng)分析和計(jì)算后實(shí)現(xiàn)跌倒探測(cè)及報(bào)警等多項(xiàng)功能。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)圍繞mcu展開，產(chǎn)品采用mc9s08qg8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項(xiàng)任務(wù)處理，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)功能模塊劃分，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)描述如下：

　　加速度采集電路

　　加速度采集使用mma7260qt，該芯片輸出為模擬信號(hào)，需進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。mc9s08qg8芯片的pa腳為復(fù)用通道，可根據(jù)需要設(shè)置為i/o、鍵盤中斷或a/d采樣通道。本設(shè)計(jì)將利用mc9s08qg8芯片內(nèi)部的a/d模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，具體實(shí)現(xiàn)中采用pa0、pa1和pa2作為三軸加速度的采集通道，與mma7260qt的xout（pin15）、yout（pin14）和zout（pin13）相連，a/d采樣的控制時(shí)鐘通過(guò)軟件配置mc9s08qg8相應(yīng)控制寄存器完成。

　　mcu外圍電路

　　本設(shè)計(jì)中，mcu外圍電路包括電源與時(shí)鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分構(gòu)成，下面分別描述。

　　電源與時(shí)鐘

　　功能組件包括mcu、液晶、按鍵