使用3軸數(shù)字加速度計(jì)檢測(cè)人體跌倒

對(duì)于一個(gè)人來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷未被觀察到的跌倒可能是雙重危險(xiǎn)的。如果在短時(shí)間內(nèi)沒有獲得治療，可能的后果可能會(huì)進(jìn)一步加劇初始損傷的明顯可能性。例如，許多老年人可能會(huì)因虛弱或頭暈而意外跌倒，或者一般來(lái)說(shuō)，他們的自我護(hù)理和自我保護(hù)能力下降。由于這些事故往往很脆弱，如果不及時(shí)提供援助，這些事故可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，大多數(shù)嚴(yán)重后果不是跌倒的直接結(jié)果，而是由于援助和治療的延誤。如果能夠及時(shí)向救援人員發(fā)出警報(bào)，就可以大大減少墜落后的后果。

除了老年人之外，還有許多其他條件和活動(dòng)，立即提醒可能跌落，特別是從高處墜落，將非常有幫助 - 例如登山者，建筑工人，窗戶清洗工，油漆工和屋頂工。

鑒于這種對(duì)跌倒發(fā)出警告的需要，開發(fā)用于檢測(cè)和預(yù)測(cè)所有類型的跌倒的設(shè)備已成為一個(gè)熱門話題。近年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度傳感器的技術(shù)進(jìn)步使得基于3軸集成MEMS（iMEMS）加速度計(jì)的跌倒檢測(cè)器設(shè)計(jì)成為可能。該技術(shù)基于通過(guò)跟蹤三個(gè)正交方向的加速度變化來(lái)檢測(cè)佩戴傳感器的個(gè)人運(yùn)動(dòng)和身體位置變化的原理。通過(guò)算法不斷分析數(shù)據(jù)，以確定個(gè)人的身體是否在下落。如果有人跌倒，該設(shè)備可以使用GPS和無(wú)線發(fā)射器來(lái)確定位置并發(fā)出警報(bào)以獲得幫助。跌倒檢測(cè)的核心要素是判斷是否存在緊急跌倒情況的有效、可靠的檢測(cè)原理和算法。

本文基于對(duì)單個(gè)身體跌倒檢測(cè)原理的研究，提出了一種利用ADXL345檢測(cè)跌倒情況的新解決方案，1ADI公司的3軸加速度計(jì)。

ADXL345 i微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)

我MEMS半導(dǎo)體技術(shù)在單個(gè)硅芯片上結(jié)合了微機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路。使用這項(xiàng)技術(shù)，iMEMS加速度計(jì)在單軸、雙軸甚至三軸上檢測(cè)加速度，并提供模擬或數(shù)字輸出。根據(jù)應(yīng)用的不同，加速度計(jì)可以提供不同的檢測(cè)范圍，從幾g到幾十g。數(shù)字版本甚至可能具有多種中斷模式。這些功能為用戶提供了方便靈活的解決方案。

最近推出的ADXL345是一款帶數(shù)字輸出的iMEMS 3軸加速度計(jì)。它具有可選的 ±2-g、±4-g、±8-g 或 ±16-g 測(cè)量范圍;分辨率高達(dá)13位;固定的 4 毫克/低血糖素靈敏度;微型 3 毫米× 5 毫米× 1 毫米封裝;超低功耗（25 μA 至 130 μA）;標(biāo)準(zhǔn) I2C和SPI串行數(shù)字接口;和 32 級(jí) FIFO 存儲(chǔ)。各種內(nèi)置功能，包括運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活中斷，大大簡(jiǎn)化了跌倒檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。如您所見，這種特性組合使ADXL345成為跌倒檢測(cè)器應(yīng)用的理想加速度計(jì)。?

這里提出的跌倒檢測(cè)解決方案充分利用了這些內(nèi)部功能，最大限度地降低了算法的復(fù)雜性，幾乎不需要訪問(wèn)實(shí)際加速度值或執(zhí)行任何其他計(jì)算。

中斷系統(tǒng)

圖1顯示了ADXL345的系統(tǒng)框圖和引腳定義。

圖1.ADXL345系統(tǒng)框圖和引腳名稱

ADXL345具有兩個(gè)可編程中斷引腳（INT1和INT2），共有8種中斷功能可用。每個(gè)中斷都可以獨(dú)立啟用或禁用，并可選擇映射到 INT1 或 INT2 引腳。所有功能可以同時(shí)使用——唯一的限制功能是某些功能可能需要共享中斷引腳。這八個(gè)功能是：DATA_READY、SINGLE_TAP、DOUBLE_TAP、活動(dòng)、不活動(dòng)、FREE_FALL、水印和超限。中斷通過(guò)在INT_ENABLE寄存器中設(shè)置適當(dāng)?shù)奈粊?lái)啟用，并根據(jù)INT_MAP寄存器的內(nèi)容映射到 INT1 或 INT2 引腳。中斷函數(shù)定義如下：

1. DATA_READY在新數(shù)據(jù)可用時(shí)設(shè)置，在沒有新數(shù)據(jù)可用時(shí)清除。

2. 當(dāng)單個(gè)加速事件大于THRESH_TAP寄存器中的值發(fā)生的時(shí)間短于 DUR 寄存器中指定的時(shí)間時(shí)，將設(shè)置SINGLE_TAP。

3. 當(dāng)發(fā)生兩個(gè)大于THRESH_TAP寄存器中的值且短于 DUR 寄存器中指定時(shí)間的加速事件時(shí)，設(shè)置DOUBLE_TAP，第二次抽頭在潛伏寄存器指定的時(shí)間之后并在 WINDOW 寄存器中指定的時(shí)間內(nèi)開始。

圖 2 說(shuō)明了有效的SINGLE_TAP中斷和DOUBLE_TAP中斷。

圖2.SINGLE_TAP和DOUBLE_TAP中斷。

4. 當(dāng)加速度大于存儲(chǔ)在THRESH_ACT寄存器中的值時(shí)，將設(shè)置 ACTIVITY。

5. 當(dāng)加速度小于THRESH_INACT寄存器中存儲(chǔ)的值超過(guò)TIME_INACT寄存器中指定的時(shí)間時(shí)，將設(shè)置不活動(dòng)狀態(tài)。TIME_INACT的最大值為 255 秒。

注意： 使用活動(dòng)和非活動(dòng)中斷，用戶可以單獨(dú)啟用或禁用每個(gè)軸。例如，可以在禁用 Y 軸和 Z 軸中斷的同時(shí)啟用 X 軸的 ACTIVITY 中斷。

此外，用戶可以在活動(dòng)中斷和非活動(dòng)中斷的直流耦合或交流耦合操作模式之間進(jìn)行選擇。在直流耦合操作中，將電流加速度與THRESH_ACT進(jìn)行比較，并直接THRESH_INACT以確定是否檢測(cè)到ACTIVITY或不ACTIVITY。在活動(dòng)檢測(cè)的交流耦合操作中，以活動(dòng)檢測(cè)開始時(shí)的加速度值作為參考值。然后將新的加速度樣本與該參考值進(jìn)行比較;如果差異的大小超過(guò) THRESH_ACT，設(shè)備將觸發(fā) ACTIVITY 中斷。在用于不活動(dòng)檢測(cè)的交流耦合操作中，參考值用于比較，并在器件超過(guò)非活動(dòng)閾值時(shí)更新。選擇參考值后，設(shè)備將參考值與當(dāng)前加速度之間的差異大小與THRESH_INACT進(jìn)行比較。如果總共 TIME_INACT 的差異低于 THRESH_INACT，則設(shè)備被視為非活動(dòng)狀態(tài)，并觸發(fā)非活動(dòng)中斷。

6. 當(dāng)THRESH_FF寄存器中存儲(chǔ)的加速度小于TIME_FF寄存器中指定的時(shí)間時(shí)，設(shè)置FREE_FALL。FREE_FALL中斷主要用于檢測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)。因此，F(xiàn)REE_FALL中斷與不活動(dòng)中斷的不同之處在于，所有軸始終參與，計(jì)時(shí)器周期短得多（最長(zhǎng)1.28秒），并且始終是直流耦合的。

7. 當(dāng)FIFO中的樣本數(shù)量已填滿到存儲(chǔ)在SAMPLES寄存器中的值時(shí)，將設(shè)置水印。當(dāng)讀取FIFO并將其內(nèi)容清空到SAMPLES寄存器中存儲(chǔ)的值以下時(shí)，它會(huì)自動(dòng)清除。

注意：ADXL345中的FIFO寄存器具有四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā);最多可存儲(chǔ) 32 個(gè)樣品（X、Y 和 Z 軸）。先進(jìn)先出功能是一個(gè)重要且非常有用的功能;但是，所提出的解決方案不使用FIFO功能，因此不再進(jìn)一步討論。

8. 當(dāng)新數(shù)據(jù)替換未讀數(shù)據(jù)時(shí)，將設(shè)置超限。OVERRUN的精確操作取決于FIFO的操作模式。在旁路模式下，當(dāng)新數(shù)據(jù)替換 DATAX、DATAY 和 DATAZ 寄存器中的未讀數(shù)據(jù)時(shí)，將設(shè)置 OVERRUN。在所有其他模式下，當(dāng)FIFO充滿32個(gè)樣本時(shí)，將設(shè)置OVERRUN。OVERRUN通過(guò)讀取FIFO內(nèi)容來(lái)清除，并在讀取數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)清除。

下降時(shí)的加速變化特性

關(guān)于跌倒檢測(cè)原理的主要研究集中在人類跌倒時(shí)發(fā)生的加速度變化。

圖3顯示了（a）走下樓，（b）上樓，（c）坐下和（d）從椅子上站起來(lái)時(shí)發(fā)生的加速度變化。跌倒檢測(cè)器安裝在個(gè)人身體的皮帶上。紅色軌跡是 Y 軸（垂直）加速度;平衡時(shí)為-1 g。黑色和黃色軌跡分別是 X 軸（向前）和 Z 軸（橫向）加速度。它們?cè)谄胶鈺r(shí)均為 0 g。綠色跡線是矢量和大小，平衡時(shí)為 1 g。

a. 走下樓。

b. 走上樓。

c. 坐下。

d. 站起來(lái)。

圖3.加速度計(jì)對(duì)不同類型運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。

由于老年人的運(yùn)動(dòng)比較慢，在步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度變化不會(huì)很明顯。最明顯的加速度是在坐下的那一刻Y（和矢量和）的3g峰值。

下降時(shí)的加速度完全不同。圖 4 顯示了意外跌落期間的加速度變化。通過(guò)將圖 4 與圖 3 進(jìn)行比較，我們可以看到跌倒事件的四個(gè)關(guān)鍵差異特征，這些差異可以作為跌倒檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。它們?cè)诩t色框中標(biāo)記，并詳細(xì)說(shuō)明如下：

圖4.下降過(guò)程中的加速度變化曲線。

1.跌倒的開始：失重的現(xiàn)象總是發(fā)生在跌倒開始時(shí)。在自由落體過(guò)程中它會(huì)變得更加顯著，加速度的矢量和將趨向于0 g;這種情況的持續(xù)時(shí)間將取決于自由落體的高度。盡管普通墜落時(shí)的失重不如自由落體時(shí)的失重那么顯著，但加速度的矢量和仍將大大小于1 g（而在正常條件下通常大于1 g）。因此，這是確定ADXL345的FREE_FALL中斷可以檢測(cè)到的跌落狀態(tài)的第一個(gè)基礎(chǔ)。

2.撞擊：人體在經(jīng)歷失重后，會(huì)撞擊地面或其他物體;加速度曲線顯示這是一個(gè)很大的沖擊。這種沖擊由ADXL345的活動(dòng)中斷檢測(cè)到。因此，確定跌倒的第二個(gè)依據(jù)是緊隨FREE_FALL中斷之后的 ACTIVITY 中斷。

3、善后：一般來(lái)說(shuō)，人體在跌倒并造成沖擊后，不能立即起身;相反，它在短時(shí)間內(nèi)保持靜止不動(dòng)（或更長(zhǎng)時(shí)間作為無(wú)意識(shí)的可能跡象）。在加速度曲線上，這表現(xiàn)為平線的區(qū)間，并由ADXL345的不活動(dòng)中斷檢測(cè)到。因此，確定跌倒情況的第三個(gè)依據(jù)是 ACTIVITY 中斷之后的不活動(dòng)中斷。

4.跌倒前后比較：跌倒后，個(gè)體的身體方向會(huì)與跌倒前不同，因此三個(gè)軸上的靜態(tài)加速度將與跌倒前的初始狀態(tài)不同（圖4）。假設(shè)跌倒檢測(cè)器在個(gè)人的身體上系有皮帶連接，以提供整個(gè)加速歷史，包括初始狀態(tài)。我們可以在非活動(dòng)中斷后讀取所有三個(gè)軸上的加速度數(shù)據(jù)，并將這些采樣數(shù)據(jù)與初始狀態(tài)進(jìn)行比較。在圖 4 中，很明顯身體側(cè)倒，因?yàn)殪o態(tài)加速度從 Y 軸上的 –1 g 變?yōu)?Z 軸上的 +1 g。 因此，確定下降的第四個(gè)基礎(chǔ)是采樣數(shù)據(jù)和初始狀態(tài)之間的差異是否超過(guò)某個(gè)閾值，例如 0.7 g。

這些限定條件的組合構(gòu)成了整個(gè)跌倒檢測(cè)算法，該算法在執(zhí)行時(shí)可以使系統(tǒng)發(fā)出適當(dāng)?shù)木瘓?bào)，指出發(fā)生了跌倒。當(dāng)然，中斷之間的時(shí)間間隔必須在合理的范圍內(nèi)。通常，F(xiàn)REE_FALL中斷（失重）和活動(dòng)中斷（撞擊）之間的時(shí)間間隔不是很長(zhǎng)，除非一個(gè)人從非常高的建筑物頂部墜落！同樣，活動(dòng)中斷（影響）和不活動(dòng)中斷（基本上靜止）之間的時(shí)間間隔不應(yīng)該很長(zhǎng)。下一節(jié)將給出一個(gè)實(shí)際示例，其中包含一組合理的值。可根據(jù)需要靈活設(shè)置相關(guān)的中斷檢測(cè)閾值和時(shí)間參數(shù)。

如果跌倒導(dǎo)致嚴(yán)重后果，例如失去知覺，人體將在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持靜止，這種狀態(tài)仍然可以由不活動(dòng)中斷檢測(cè)到，因此如果檢測(cè)到非活動(dòng)狀態(tài)，則可以發(fā)出第二個(gè)嚴(yán)重警報(bào)在跌倒后持續(xù)定義的很長(zhǎng)一段時(shí)間。

典型電路連接

ADXL345和微控制器之間的電路連接非常簡(jiǎn)單。本文 的 測(cè)試 平臺(tái) 使用 ADXL345 和 ADuC7026 模擬微控制器 — 后者 具有 12 位 模擬 I/ O 和 ARM7TDMI MCU。圖5顯示了ADXL345和ADuC7026之間的典型連接。?2當(dāng)ADXL345的/CS引腳連接高電平時(shí)，ADXL345工作在I2C 模式。SDA和SCL，I的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘2C總線，連接到ADuC7026的相應(yīng)引腳。ADuC7026的GPIO連接到ADXL345的ALT引腳，以選擇I2ADXL345的C地址和ADXL345的INT1引腳連接到ADuC7026的IRQ輸入以產(chǎn)生中斷信號(hào)。

其他MCU或處理器類型可用于訪問(wèn)ADXL345，其電路連接與圖5類似，但ADuC7026還提供數(shù)據(jù)采集功能，包括多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADXL345數(shù)據(jù)手冊(cè)介紹了實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的SPI模式應(yīng)用。

圖5.ADXL345和微控制器之間的典型電路連接。

表 1.ADCL345寄存器功能說(shuō)明

使用ADXL345簡(jiǎn)化跌倒檢測(cè)

表1和圖5定義了上述解決方案的算法實(shí)現(xiàn)。表中包括每個(gè)寄存器的功能，本算法中使用的值如圖所示。請(qǐng)參考ADXL345數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解每個(gè)寄存器位的詳細(xì)定義。

表1中的某些寄存器將具有兩個(gè)值。這表示算法針對(duì)檢測(cè)的不同方面在這些值之間切換。圖 6 是算法流程圖。

結(jié)論

ADXL345是一款功能強(qiáng)大、功能齊全的加速度計(jì)。我們已經(jīng)描述了一種針對(duì)跌倒檢測(cè)問(wèn)題提出的新解決方案，該解決方案利用了各種內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)功能和靈活的中斷。測(cè)試表明，它結(jié)合了低算法復(fù)雜度和高檢測(cè)精度。