基于MPU6050的老人摔倒檢測系統(tǒng)設(shè)計(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于MPU6050的老人摔倒檢測系統(tǒng)設(shè)計摘 要：如何減少老年人摔倒造成的傷害已經(jīng)成為國內(nèi)外研究人員的一個研究焦點。MPU6050傳感器集成的三軸加速度和角速度傳感器對人體運動行為和姿態(tài)進行檢測，綜合判斷老人是否摔倒。系統(tǒng)利用GSM模塊通信，同時利用GPS模塊進行定位。采用了閾值判定摔倒檢測算法，提高了判斷的準確性，并能夠識別老人從不同的角度摔倒。關(guān)鍵詞：摔倒檢測，閥值算法，MPU6050，GPS，GSM中圖分類號：TN60934 文獻標識碼：A 0 引言目前國內(nèi)外對于摔倒識別的研究層出不窮，甚至有的研究成果已經(jīng)作為產(chǎn)品面世。根據(jù)獲取摔倒信息手段的不同，目前的摔倒識別技

2、術(shù)主要分為：用戶自主啟動型報警系統(tǒng)、基于視頻裝置的摔倒探測系統(tǒng)、基于MEMS傳感器的摔倒姿態(tài)檢測系統(tǒng)等12。用戶自主型報警系統(tǒng)具有一些難以避免的缺點：用戶在摔倒之后必須沒有失去意識，有一定的活動能力。另外，目前基于視頻裝置的摔倒探測系統(tǒng)對于用戶的隱私權(quán)還不能完全保證，而且存在一些視頻的死角等問題?；贛EMS傳感器的摔倒探測系統(tǒng)是指嵌入了微型傳感器的設(shè)備，這種檢測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測人體的活動，通過算法判斷是否發(fā)生了摔倒。這種判斷方式可以應(yīng)用于摔倒之后暈倒的情況，對患有老年精神疾病的對象也可以實現(xiàn)保護；另外對用戶的隱私實現(xiàn)了最大程度的保護，應(yīng)用的范圍限制也比較小，是一種比較理想的摔倒檢測系統(tǒng)。MP

3、U6050 的角速度感測范圍最高可以達到2000/s，能夠準確地追蹤動作; 加速度感測范圍最高可以達到16g，完全能滿足對人體摔倒動作的檢測要求。本文運用一種新型的MEMS傳感器MPU6050，能同時對三軸加速度及三軸角速度進行檢測，通過實驗設(shè)定了加速度與角速度閾值，通過閾值與人體姿態(tài)數(shù)據(jù)的組合分析能較準確的對人體摔倒進行檢測判斷3。1 系統(tǒng)設(shè)計原理本文是基于MPU6050傳感器設(shè)計的可老人摔倒檢測系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。主要包括五個部分：微控制器、MPU6050姿態(tài)檢測模塊、GPS定位模塊、GSM/GPRS通訊模塊、4*4矩陣鍵盤模塊。其中鍵盤模塊是為了方便用戶修目標電話號碼。該模塊采用可

4、拆卸設(shè)計，為減小產(chǎn)品體積，用戶在實際使用過程中可將鍵盤拆下，只有當修改號碼時才需要該模塊。MSP430控制系統(tǒng)GPSMPU6050GSM供電電源4*4鍵盤圖1系統(tǒng)設(shè)計原理圖本文微控制器選擇的是低功耗單片機MSP430F149，不僅滿足本系統(tǒng)的所有要求而且可以降低產(chǎn)品的成本。MPU6050姿態(tài)檢測模塊可以實時檢測用戶的加速度和角加速度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)組SP430F149單片機進行分析，從而判斷用戶的運動姿態(tài)。GPS定位模塊采用的型號是ProGin SR-87。該系列GPS模塊采用高靈敏度，高性能的SiRFStar芯片組緊湊設(shè)計方案。該模塊在同一時間能跟蹤多達20顆衛(wèi)星，同時提供快速的時間首次定位

5、和1Hz的導航更新，將接收到的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)實時傳送到單片機，利用GPS解析程序提取其中的經(jīng)度與緯度坐標。GSM/GPRS通訊模塊采用的是華為生產(chǎn)的GTM900-B通訊模塊，該模塊集成了可靠的外圍電路以及擴展了端口。GTM900 的主要功能有：語音通話、短信收發(fā)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、彩信收發(fā)，使用串口通訊的方式和外部連接。該模塊利用AT指令來發(fā)送求助短信。當摔倒事件發(fā)生時，單片機控制該模塊向目標手機發(fā)出警報以及摔倒的位置。2 姿態(tài)檢測模塊設(shè)計姿態(tài)檢測模塊采用的是MPU6050傳感器，是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器

6、DMP（Digital Motion Processor），可用IIC接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計。擴展之后就可以通過其IIC或SPI接口輸出一個9軸的信號。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為250，500，1000，2000/秒（dps），加速度計可測范圍為2，4，8，16g。陀螺儀MPU6050是采用IIC的協(xié)議通信的，通過寄存器地址進行訪問。MPU6050電路圖如圖2所示，5V/3.3V電源輸入，XDA/XCL用于外接其他IIC接口傳

7、感器，不用。SDA，SCL連接到單片機，INT產(chǎn)生中斷信號，連接至單片機。AD0一般接地。注意使用IO口模擬IIC信號時候，要注意SDA所連接的單片機IO口輸入輸出方向設(shè)置。圖2 MPU6050電路原理圖3 系統(tǒng)算法設(shè)計3.1 姿態(tài)檢測算法MPU6050采用標準的IIC通信協(xié)議實時的向單片機傳送用戶姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括三軸加速度與三軸角速度信息，單片機通過算法分析數(shù)據(jù)，從而判斷用戶運動姿態(tài)。目前對摔倒進行判斷主要有兩種方法，分別是基于模式識別的摔倒檢測方法和基于預設(shè)闊值的摔倒檢測方法 。在摔倒檢測算法的選擇上，由于模式識別的方法有較大的計算量，不適于實時系統(tǒng)，因此本文選擇閥值判斷的方法進行摔倒檢測。

8、同時由于傳統(tǒng)的閥值判斷的方法容易出現(xiàn)很多錯判和漏判，本文對算法作進一步改進引入人體運動的角速度加以分析判斷，提高判斷準確率。算法流程如圖3所示。根據(jù)運動學分析，一個典型的摔倒動作曲線主要由人體失重過程，人體與地面的碰撞和人體相對地面靜止3部分組成?；谶@3個過程建立了一種摔倒檢測算法，把加速度變化和角速度變化分別進行判斷，再將輸出的判斷結(jié)果與靜止后的人體姿態(tài)進行綜合分析，最終生成對是否發(fā)生嚴重摔倒動作的判斷。圖3 摔倒檢測的閾值算法流程3.2 GPS數(shù)據(jù)解析算法GPS數(shù)據(jù)解析算法流程如圖4所示。圖4 GPS數(shù)據(jù)解析算法由于從GPS串口接收的數(shù)據(jù)幀是一長串ASCII碼字節(jié)流，在沒有經(jīng)過分類提取之

9、前是無法加以利用的。因此，必須通過程序?qū)⒏鱾€字段的信息從接收到的字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)化成有實際意義的，可供高層決策使用的定位信息數(shù)據(jù)。對GPS信息進行提取必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。對于不同的數(shù)據(jù)幀，其幀頭是不同的，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC等。這些幀頭標識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成和結(jié)構(gòu)特點。各幀均以回車符和換行符作為幀尾，標識一幀的結(jié)束。4 實驗測試及分析4.1 準確度測試由于摔倒的實驗具有一定的危險性，所以仍然選擇年輕人作為實驗的對象。實驗對象為 23周歲男性一名，23周歲女性一名。設(shè)定 FF為向前摔倒，膝蓋

10、彎曲，膝蓋先著地；FA 為向后摔倒，臀部先著地；FA為向左側(cè)摔倒，膝蓋彎曲；FR為向右側(cè)摔倒，膝蓋彎曲。其中每種模式各測50次，膝蓋著地是為了更加貼近實際摔倒的情況。表1 為各種模式下的摔倒檢測情況。表 1摔倒的檢測成功統(tǒng)計結(jié)果FFFAFLFR男50485049女49464846從表中可以看出，該算法對摔倒具有相當?shù)拿舾行?，其中FF模式的預測準確程度最高，對于 FA、FL、FR 都有一定程度的漏報，這與實驗對象以及實驗條件都有一定的關(guān)系。人體有意識的摔倒和無意識摔倒時身體的反應(yīng)是有所不同的，再加上實驗條件不能絕對的保證測試者在摔倒的過程中完全不產(chǎn)生傷害，所以實驗的準確性并不能達到100%。實際

11、上該算法對摔倒有較高的敏感性，系統(tǒng)的檢測成功率還是比較高的。4.2 日常運動誤判測試該摔倒檢測系統(tǒng)的一個重要設(shè)計原則是在沒有誤報的情況下保證足夠的成功率。因為如果在日常生活中使用該裝置經(jīng)常出現(xiàn)誤報勢必會給用戶造成很困擾。表2為實驗的誤報情況統(tǒng)計。其中走的時間為30分鐘，跑步的時間為30分鐘，上樓和下樓的次數(shù)各為50次，坐下和蹲下各100次，電梯為50次，高處跳落 50次。表2 日常運動模式的誤判統(tǒng)計走路跑步上樓下樓坐下蹲下電梯跳落男01010002女00010004從上述的誤判情況統(tǒng)計表中可以看出，在人體的幾項活動中，從高處跳落的誤報率比較高，其他幾項幾乎沒有出現(xiàn)誤判。考慮到應(yīng)用的群體是老年人，跳落屬于危險性的動作，一般不會發(fā)生，所以出現(xiàn)誤報是可以接受的。電梯模式是前面的實驗中未列出的運動模式，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)該摔倒檢測系統(tǒng)在電梯中未出現(xiàn)誤報，所以可以看出系統(tǒng)的誤判率是非常低的。綜上所述，該