曲鳳娟　高一騰

【摘 要】本文旨在研究一款可穿戴式跌倒檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過三軸加速度計(jì)、陀螺儀、ZigBee等部件結(jié)合相關(guān)算法，對(duì)跌倒進(jìn)行判斷和定位，并及時(shí)報(bào)警。定位算法采用了基于RSSI測(cè)距的定位，RSSI來(lái)自ZigBee模塊。實(shí)驗(yàn)表明本文所述算法正確可行。

【關(guān)鍵詞】RSSI；ZigBee；跌倒檢測(cè)；陀螺儀

0 引言

中國(guó)的老人越來(lái)越多，尤其是獨(dú)居老人人數(shù)也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。跌倒是造成老人身體傷害甚至死亡的主要原因之一。如果能夠采取一定的方法減少或避免跌倒對(duì)老人造成的傷害將具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。本文所研究的跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)能夠在佩戴者發(fā)生跌倒后及時(shí)報(bào)警，使救助人員采取措施盡快實(shí)救，最大限度的減小危險(xiǎn)動(dòng)作帶來(lái)的傷害。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要分三部分：一部分是人體運(yùn)動(dòng)采集與分析模塊，包括主處理器、三軸加速傳感器、陀螺儀和藍(lán)牙通信模塊，這部分功能模塊佩戴在人體的腰部；第二部分是ZigBee報(bào)警和定位模塊，當(dāng)佩戴者在小區(qū)內(nèi)部跌倒時(shí)，由ZigBee生成定位信息并向物業(yè)報(bào)警，該定位信息也需要通過藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)，手機(jī)再繼續(xù)報(bào)警；第三部分是手機(jī)定位和報(bào)警模塊，此部分手機(jī)通過藍(lán)牙接收到報(bào)警信號(hào)后，啟動(dòng)GPS定位，通過短信或電話形式向家人報(bào)警。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)分為可穿戴跌倒檢測(cè)裝置、Android手機(jī)報(bào)警定位和ZigBee小區(qū)內(nèi)報(bào)警定位部分。

2.1 系統(tǒng)硬件集成

跌倒檢測(cè)模塊采用野火STM32 V3開發(fā)板；關(guān)于陀螺儀和加速度計(jì)，本文選用了MPU6050；跌倒檢測(cè)模塊與手機(jī)的通信采用藍(lán)牙串口模塊FBT06；手機(jī)1為基于Android的智能手機(jī)，其需要運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序；手機(jī)2則可以是任意的可用手機(jī)。

MPU6050整合了陀螺儀、3軸加速度計(jì)。MPU6050通過主I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向STM32輸出數(shù)據(jù)。因此，只需把STM32的引腳PB6（SDA）和PB7（SCL）分別連接到MPU6050的24號(hào)引腳（SDA）和23號(hào)引腳（SCL）上。

藍(lán)牙模塊FBT06通過串口與STM32連接，將FBT06的TXD和RXD與STM32的RXD和TXD連接即可。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用了CC2431模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器與STM32也通過串口進(jìn)行連接。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

1）STM32端

STM32從MPU6050定時(shí)讀取某個(gè)軸向（如Z軸）的傾角數(shù)據(jù)，將SVM和傾角數(shù)據(jù)結(jié)合判斷跌倒。當(dāng)?shù)拱l(fā)生后，STM32讀取ZigBee發(fā)送的信息，若讀取到有效數(shù)據(jù)則視為定位信息連同報(bào)警信號(hào)通過藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)，手機(jī)再發(fā)送報(bào)警短信或直接撥打電話；若未讀取到有效的數(shù)據(jù)則直接通過藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，手機(jī)解析藍(lán)牙數(shù)據(jù)，當(dāng)未發(fā)現(xiàn)定位信息則啟動(dòng)GPS定位生成定位信息，繼續(xù)發(fā)送報(bào)警信息或直接撥打電話。

2）ZigBee模塊定位

ZigBee模塊CC2431可以獲取RSSI值，因此可以采用基于RSSI技術(shù)的測(cè)距協(xié)助實(shí)現(xiàn)定位，無(wú)需添加硬件。

RSSI是指接收信號(hào)強(qiáng)度指示。RSSI值隨距離增加而減小，經(jīng)過簡(jiǎn)化的RSSI測(cè)距經(jīng)典模型如公式（2）所示。

RSSI=A+10mlg（d）（2）

A為無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)相距1m時(shí)接收節(jié)點(diǎn)接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI值，m為路徑衰減因子[1]。依據(jù)公式（1）求得若干個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的距離，對(duì)未知節(jié)點(diǎn)定位就可利用這些距離值采用極大似然估算法實(shí)現(xiàn)。已知n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別設(shè)為（x1，y1）、（x2，y2）、……，（xn，yn），而未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為（x，y），算法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：

（1）錨節(jié)點(diǎn)周期性向未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送含有自身ID及自身位置信息的數(shù)據(jù)包[2]。

（2）未知節(jié)點(diǎn)接收到同一ID的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包后，從包中提取出信號(hào)強(qiáng)度RSSI值，接收到多少數(shù)據(jù)包也會(huì)得到相應(yīng)數(shù)量的RSSI值[3]。當(dāng)收到該錨節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包數(shù)量達(dá)到一定閾值（如50個(gè)）后，對(duì)得到的相應(yīng)數(shù)量的RSSI值求平均值即看做該ID錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值，然后根據(jù)公式（1）導(dǎo)出距離d，就得到了某個(gè)ID錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的距離。以此類推，對(duì)所有n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)都采用這種方式處理，可得到n個(gè)距離d1、d2、……、dn。

3）手機(jī)端

手機(jī)為基于Android的智能手機(jī)，需要開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序。手機(jī)端需要長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)是否有跌倒信號(hào)出現(xiàn)，因此收發(fā)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)的功能需要啟用Service服務(wù)，以便系統(tǒng)在后臺(tái)監(jiān)聽。

在手機(jī)端運(yùn)行的應(yīng)用程序中啟動(dòng)GPS、WIFI定位或基站定位，并通過百度地圖實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度到地址的轉(zhuǎn)換，生成定位信息。利用百度地圖提供的轉(zhuǎn)換服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)從經(jīng)緯度坐標(biāo)到地址的轉(zhuǎn)換。向服務(wù)器發(fā)送包括經(jīng)緯度信息的HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器返回JSON數(shù)據(jù)，再將JSON解析即獲得地址信息。（下轉(zhuǎn)第33頁(yè)）

（上接第5頁(yè)）跌倒檢測(cè)設(shè)備使用鋰電池或移動(dòng)電源充電。首先需要設(shè)備與手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)。手機(jī)端需要開啟藍(lán)牙，完成藍(lán)牙連接。藍(lán)牙連接成功后，設(shè)備即可佩戴在腰部進(jìn)行正常的日?；顒?dòng)。手機(jī)再發(fā)送報(bào)警短信或直接撥打電話；若未讀取到有效的數(shù)據(jù)則直接通過藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，手機(jī)解析藍(lán)牙數(shù)據(jù)，當(dāng)未發(fā)現(xiàn)定位信息則啟動(dòng)GPS定位生成定位信息，繼續(xù)發(fā)送報(bào)警信息或直接撥打電話。

2.3 跌倒檢測(cè)設(shè)備的位置

跌倒檢測(cè)設(shè)備的穿戴位置也影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。常見的跌倒檢測(cè)裝置穿戴位置有腰部、腕部、腿部、胸部等。通過對(duì)穿戴的各種位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定較理想的穿戴位置。實(shí)驗(yàn)中，通過3人將三軸加速度計(jì)放置在不同位置，取平均值，將最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果位置作為穿戴位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ZigBee定位的跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可識(shí)別佩戴者產(chǎn)生的跌倒動(dòng)作，在能夠?qū)Φ拐哌M(jìn)行定位的同時(shí)給出短信報(bào)警。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本論文所研究系統(tǒng)具有較好的跌倒動(dòng)作識(shí)別率。并且當(dāng)真正跌倒時(shí)，家屬能夠及時(shí)得到通知，能夠根據(jù)短信準(zhǔn)確的找到老人跌倒的位置。本系統(tǒng)已經(jīng)過測(cè)試，測(cè)試的手機(jī)1型號(hào)為HTC 528t。

【參考文獻(xiàn)】

[1]何山.基于RSSI的精確室內(nèi)定位算法[J].現(xiàn)代電信科技，2011，3（3）.

[2]楊東勇，顧東袁，傅曉婕.一種基于RSSI相似度的室內(nèi)定位算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，2，22（2）.

[3]章磊，黃光明.基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（2）.

[4]王琦.基于RSSI測(cè)距的室內(nèi)定位技術(shù)[J].電子科技，2012，25（6）.

[責(zé)任編輯：湯靜]